JP3931876B2 - Magnetoresistive device and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は,磁気抵抗デバイス及びその製造方法に関し,特に,トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)を示す磁気トンネル接合(MTJ)を含む磁気抵抗デバイス及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a magnetoresistive device including a magnetic tunnel junction (MTJ) exhibiting a tunnel magnetoresistive effect (TMR effect) and a manufacturing method thereof.

2つの強磁性体層と,これらの強磁性体層に挟まれたトンネル障壁層(トンネル絶縁層)とで構成される磁気トンネル接合は,該強磁性体層の磁化の相対方向に依存して,その抵抗が大きく変化する。このような現象は,トンネル磁気抵抗効果と呼ばれる。磁気トンネル接合の抵抗を検出することにより,強磁性体層の磁化の方向を判別することが可能である。このような磁気トンネル接合の性質を利用して,磁気トンネル接合を含む磁気抵抗デバイスは,不揮発的にデータを保持する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM),及びハードディスク用の磁気読み取りヘッドに適用される。   A magnetic tunnel junction composed of two ferromagnetic layers and a tunnel barrier layer (tunnel insulating layer) sandwiched between these ferromagnetic layers depends on the relative direction of magnetization of the ferromagnetic layers. , Its resistance changes greatly. Such a phenomenon is called a tunnel magnetoresistance effect. By detecting the resistance of the magnetic tunnel junction, it is possible to determine the magnetization direction of the ferromagnetic layer. Utilizing such a property of the magnetic tunnel junction, the magnetoresistive device including the magnetic tunnel junction is applied to a magnetic random access memory (MRAM) that holds data in a nonvolatile manner and a magnetic read head for a hard disk.

磁気トンネル接合を含む磁気抵抗素子は,典型的には,固定強磁性層と,自由強磁性層と,固定強磁性層と自由強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層とを含んで構成される。固定強磁性層は,向きが固定された自発磁化を有し,自由強磁性層は,向きが反転可能な自発磁化を有している。   A magnetoresistive element including a magnetic tunnel junction typically includes a fixed ferromagnetic layer, a free ferromagnetic layer, and a tunnel insulating layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer. Consists of. The fixed ferromagnetic layer has a spontaneous magnetization whose direction is fixed, and the free ferromagnetic layer has a spontaneous magnetization whose direction can be reversed.

自発磁化の向きを強固に固定するために,固定強磁性層は,しばしば,反強磁性層に接合して形成される。反強磁性層が固定強磁性層に与える交換相互作用は,固定強磁性層の自発磁化を強固に固定する。反強磁性層は,一般に,IrMn,PtMnのようなMnを含む反強磁性体で形成される。   In order to firmly fix the direction of spontaneous magnetization, the pinned ferromagnetic layer is often formed bonded to the antiferromagnetic layer. The exchange interaction that the antiferromagnetic layer gives to the pinned ferromagnetic layer firmly fixes the spontaneous magnetization of the pinned ferromagnetic layer. The antiferromagnetic layer is generally formed of an antiferromagnetic material containing Mn such as IrMn and PtMn.

更に,自由強磁性層は,しばしば,高いスピン分極率を有する強磁性体で形成されたハード強磁性層と,ソフトな強磁性体で形成されたソフト強磁性層とで構成される。このような自由強磁性層の構造は,磁気トンネル接合の磁気抵抗変化率(MR比)を大きくしながら,自由強磁性層の自発磁化の反転磁界(あるいは抗磁場,又は保磁力)を低減することを可能にする。ハード強磁性層は,一般に,Co,CoFe等のCoを含む強磁性体で形成され,ソフト強磁性層は,一般に,NiFe等のNiを含む強磁性体で形成される。   Furthermore, the free ferromagnetic layer is often composed of a hard ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material having a high spin polarizability and a soft ferromagnetic layer made of a soft ferromagnetic material. Such a free ferromagnetic layer structure reduces the reversal field (or coercive field or coercive force) of the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer while increasing the magnetoresistance change rate (MR ratio) of the magnetic tunnel junction. Make it possible. The hard ferromagnetic layer is generally formed of a ferromagnetic material including Co such as Co or CoFe, and the soft ferromagnetic layer is generally formed of a ferromagnetic material including Ni such as NiFe.

磁気抵抗素子の課題の一つは,熱的な安定性である。磁気抵抗素子に高い温度が加えられると,磁気抵抗素子を構成する層の間で相互拡散が発生する。この相互拡散は,磁気抵抗素子の特性,特にMR比を劣化させる。例えば,特許文献1は,ハード強磁性層とソフト強磁性層との間の相互拡散の問題を指摘している。特に問題になるのは,ソフト強磁性層に含まれるNiがハード強磁性層に拡散することである。Niのハード強磁性層への拡散は,磁気抵抗素子の特性を劣化させる。特許文献1は,ハード強磁性層とソフト強磁性層との間に,相互拡散を防止する酸化膜又は窒化膜を設けることを開示している。特許文献2は,Mnを含む反強磁性体からMnが固定強磁性層に拡散する問題を指摘している。特許文献2は,固定強磁性層を2つの強磁性層と,該強磁性層の間に介設された絶縁層又はアモルファス磁性層とで形成することにより,Mnの固定強磁性層への拡散を防止する技術を開示している。特許文献3は,固定強磁性層及び自由強磁性層に酸化物磁性層を挿入することにより磁気抵抗素子の熱的安定性を向上する技術を開示している。特許文献4は,自由強磁性層と,自由強磁性層の結晶性を向上するために自由強磁性層の下に形成されるバッファ層との間の相互拡散の問題を指摘している。特許文献4は,酸化物,窒化物,炭化物,ホウ化物,フッ化物などからなる原子拡散バリヤ層を自由強磁性層とバッファ層との間に形成することにより,バッファ層と熱拡散を抑制し,熱安定性を向上する技術を開示している。
特開2000−20922号公報 特開2002−158381号公報 特開2001−237471号公報 特開平10−65232号公報
One of the challenges of magnetoresistive elements is thermal stability. When a high temperature is applied to the magnetoresistive element, mutual diffusion occurs between layers constituting the magnetoresistive element. This mutual diffusion degrades the characteristics of the magnetoresistive element, particularly the MR ratio. For example, Patent Document 1 points out the problem of mutual diffusion between a hard ferromagnetic layer and a soft ferromagnetic layer. A particular problem is that Ni contained in the soft ferromagnetic layer diffuses into the hard ferromagnetic layer. The diffusion of Ni into the hard ferromagnetic layer deteriorates the characteristics of the magnetoresistive element. Patent Document 1 discloses that an oxide film or a nitride film that prevents mutual diffusion is provided between a hard ferromagnetic layer and a soft ferromagnetic layer. Patent Document 2 points out the problem that Mn diffuses from the antiferromagnetic material containing Mn into the pinned ferromagnetic layer. Patent Document 2 discloses that a fixed ferromagnetic layer is formed of two ferromagnetic layers and an insulating layer or an amorphous magnetic layer interposed between the ferromagnetic layers to diffuse Mn into the fixed ferromagnetic layer. A technique for preventing this is disclosed. Patent Document 3 discloses a technique for improving the thermal stability of a magnetoresistive element by inserting an oxide magnetic layer into a fixed ferromagnetic layer and a free ferromagnetic layer. Patent Document 4 points out the problem of interdiffusion between the free ferromagnetic layer and the buffer layer formed under the free ferromagnetic layer in order to improve the crystallinity of the free ferromagnetic layer. In Patent Document 4, an atomic diffusion barrier layer made of oxide, nitride, carbide, boride, fluoride, or the like is formed between a free ferromagnetic layer and a buffer layer to suppress the buffer layer and thermal diffusion. , Discloses technology to improve thermal stability.
JP 2000-20922 A JP 2002-158381 A JP 2001-237471 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-65232

磁気抵抗素子の課題の他の一つは,自由強磁性層の反転磁界の低減である。ハード強磁性層とソフト強磁性層との積層構造体で形成された自由強磁性層は,大きなMR比を確保しようとすると,充分に反転磁界が低減できない場合がある。   Another problem with magnetoresistive elements is the reduction of the reversal field of the free ferromagnetic layer. In a free ferromagnetic layer formed of a laminated structure of a hard ferromagnetic layer and a soft ferromagnetic layer, the reversal magnetic field may not be sufficiently reduced in order to secure a large MR ratio.

自由強磁性層の反転磁界の低減は,自由強磁性層の磁化Mと膜厚tの積(以下,「積M×t」という。)を減少することによって達成可能である。以下は,その理由の説明である。自由強磁性層が一軸異方性を有する場合,該自由強磁性層の反転磁界は,自由強磁性層の全異方性磁界によって決定される。サブミクロンオーダーのサイズを有する磁気抵抗素子では,自由強磁性層の形状異方性による異方性磁界が,自由強磁性層の全異方性磁界の殆どを占める。したがって,自由強磁性層の反転磁界は,形状異方性による異方性磁界(anisotropy field)Hに近似できる。この場合,異方性磁界Haは,下記式(1):
=4πM(N−N), …(1)
で表される。ここにおいて,Mは,自由強磁性層の飽和磁化であり,N及びNは,それぞれ,磁気抵抗素子の短辺方向の反磁界係数,及び長辺方向の反磁界係数である。自由強磁性層の膜厚が一定の場合,磁気抵抗素子の長辺と短辺の長さの比(アスペクト比)が増大するほどN−Nは増大し,ゆえに,形状異方性に起因する異方性磁界Hも増大する。更に,自由強磁性層のサイズの減少とともに反磁界係数は増大するため,自由強磁性層のサイズが小さくなると反磁界及び異方性磁界Hは増大する。アスペクト比が固定である場合,異方性磁界Hは,下記式(2):
〜4πM×t/W, …(2)
で近似される。ここにおいてWは,自由強磁性層の短辺の長さであり,tは,自由強磁性層の膜厚である。式(2)は,自由強磁性層の反転磁界は,M×tを減少させることによって減少させることができることを示している。一般には,自由強磁性層の膜厚tを薄くすることによってM×tを低減させ,もって自由強磁性層の反転磁界の低減を実現できる。
Reduction of the switching field of the free ferromagnetic layer can be achieved by reducing the product of magnetization M s and film thickness t of the free ferromagnetic layer (hereinafter referred to as “product M s × t”). The following is an explanation of the reason. When the free ferromagnetic layer has uniaxial anisotropy, the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer is determined by the total anisotropic magnetic field of the free ferromagnetic layer. In a magnetoresistive element having a submicron order size, the anisotropic magnetic field due to the shape anisotropy of the free ferromagnetic layer occupies most of the total anisotropic magnetic field of the free ferromagnetic layer. Thus, the switching field of the free ferromagnetic layer can be approximated to the anisotropy field (anisotropy field) H a due to the shape anisotropy. In this case, the anisotropic magnetic field Ha is expressed by the following formula (1):
H a = 4πM s (N x −N y ), (1)
It is represented by Here, M s is the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer, and N x and N y are the demagnetizing factor in the short side direction and the demagnetizing factor in the long side direction of the magnetoresistive element, respectively. When the thickness of the free ferromagnetic layer is constant, N x -N y as long sides and the ratio of the length of the short side of the magneto-resistive element (aspect ratio) increases will increase and thus, the shape anisotropy anisotropic magnetic field H a that also due to an increase. Furthermore, the free demagnetizing factor with a decrease in size of the ferromagnetic layers is to increase, the free size of the ferromagnetic layer is reduced demagnetizing field and anisotropy field H a increases. If the aspect ratio is fixed, the anisotropy field H a is represented by the following formula (2):
H a -4πM s × t / W, (2)
Is approximated by Here, W is the length of the short side of the free ferromagnetic layer, and t is the thickness of the free ferromagnetic layer. Equation (2) shows that the switching field of the free ferromagnetic layer can be reduced by reducing M s × t. In general, by reducing the film thickness t of the free ferromagnetic layer, M s × t can be reduced, thereby reducing the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer.

発明者は,熱処理が行われたときに,磁気抵抗素子と該磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体との間で発生する相互拡散が,磁気抵抗素子の特性に悪影響を及ぼすことを見出した。磁気抵抗素子を機能させるためには,磁気抵抗素子を他の素子(例えばトランジスタ)に電気的に接続する必要がある。このため,磁気抵抗素子は,他の素子に電気的に接続された導体(例えば,ビア及び配線)に接続される。このような導体は,一般に,他の半導体集積回路と同様にAl,Cu,W,及びTiNで形成される。Ta,Ru,Zr,及びMo層が磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体として使用されることもある。磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体と,磁気抵抗素子との間の相互拡散の影響として,以下の3つが挙げられる。   The inventor has found that the interdiffusion generated between the magnetoresistive element and the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element adversely affects the characteristics of the magnetoresistive element when heat treatment is performed. I found out. In order for the magnetoresistive element to function, it is necessary to electrically connect the magnetoresistive element to another element (for example, a transistor). For this reason, the magnetoresistive element is connected to a conductor (for example, via and wiring) electrically connected to another element. Such a conductor is generally formed of Al, Cu, W, and TiN as in other semiconductor integrated circuits. The Ta, Ru, Zr, and Mo layers may be used as conductors that electrically connect the magnetoresistive element and other elements. As the influence of mutual diffusion between the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element and the magnetoresistive element, there are the following three.

第1に,該導体を構成する材料が磁気トンネル接合に拡散すると,磁気トンネル接合のMR比が劣化する。特に,該導体がAlを含む場合には,Alは比較的に低い温度によって拡散するため,Alの磁気トンネル接合への拡散の問題は重大である。また,該導体を構成する材料,特にAlが反強磁性層やソフト強磁性層に拡散することによって,反強磁性層のMnやソフト強磁性層のNiのトンネル障壁層への拡散が一層に促進させられるため,該導体を構成する材料の磁気抵抗素子への拡散の問題は重大である。   First, when the material constituting the conductor diffuses into the magnetic tunnel junction, the MR ratio of the magnetic tunnel junction deteriorates. In particular, when the conductor contains Al, since Al diffuses at a relatively low temperature, the problem of diffusion of Al into the magnetic tunnel junction is serious. In addition, the diffusion of Mn of the antiferromagnetic layer and Ni of the soft ferromagnetic layer into the tunnel barrier layer is further enhanced by diffusion of the material constituting the conductor, particularly Al, into the antiferromagnetic layer and the soft ferromagnetic layer. In order to be promoted, the problem of diffusion of the material constituting the conductor into the magnetoresistive element is serious.

第2に,磁気抵抗素子を構成する材料が,磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体に拡散すると,該導体の抵抗が増大する。導体の抵抗率の増大は,磁気トンネル接合の抵抗の検出のSN比を劣化させる。特に,反強磁性体に含まれるMn,及びソフト強磁性層に含まれるNiは,比較的に低い温度によって拡散するため,Mn及びNiの拡散による抵抗の増大の問題は重大である。   Second, if the material constituting the magnetoresistive element diffuses into a conductor that electrically connects the magnetoresistive element and another element, the resistance of the conductor increases. An increase in the resistivity of the conductor deteriorates the SN ratio for detecting the resistance of the magnetic tunnel junction. In particular, Mn contained in the antiferromagnetic material and Ni contained in the soft ferromagnetic layer diffuse at a relatively low temperature, so the problem of increased resistance due to diffusion of Mn and Ni is serious.

第3に,自由強磁性層を構成する材料が,熱処理によって該自由強磁性層を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することは,自由強磁性体の膜厚tを薄くすることによって反転磁界の低減を実現することを困難にする。なぜなら,自由強磁性層の膜厚tが薄い場合に熱処理による拡散が発生すると,自由強磁性層の特性が大きく変動し,磁気抵抗素子の動作の信頼性を損なうからである。図26は,膜厚tが薄い自由強磁性層の4πM×tの,熱処理による影響を示すグラフである。自由強磁性層の特性は,下記の条件で測定されている:測定された試料の構造は,
基板/Ta(10nm)/AlOx/Ni81Fe19/Ta(10nm)
である。AlOx膜は,1.5nmのAL膜が酸化されて形成されている。Ni81Fe19膜は,その厚さが,3.0nm,2.6nm,2.2nmのうちから選択されている。Ni81Fe19膜は,スパッタリングによって形成されている。熱処理の温度は,250〜400℃,時間は,30minである。磁化Mは,振動式磁力計によって測定されている。
Third, the diffusion of the material constituting the free ferromagnetic layer into the conductor that electrically connects the free ferromagnetic layer to other elements by heat treatment reduces the thickness t of the free ferromagnetic material. This makes it difficult to reduce the reversal magnetic field. This is because when the free ferromagnetic layer has a small thickness t and diffusion due to heat treatment occurs, the characteristics of the free ferromagnetic layer greatly fluctuate and the operation reliability of the magnetoresistive element is impaired. FIG. 26 is a graph showing the effect of heat treatment on 4πM s × t of a free ferromagnetic layer with a thin film thickness t. The properties of the free ferromagnetic layer are measured under the following conditions: The measured sample structure is
Substrate / Ta (10 nm) / AlOx / Ni 81 Fe 19 / Ta (10 nm)
It is. The AlOx film is formed by oxidizing a 1.5 nm AL film. The thickness of the Ni 81 Fe 19 film is selected from 3.0 nm, 2.6 nm, and 2.2 nm. The Ni 81 Fe 19 film is formed by sputtering. The heat treatment temperature is 250 to 400 ° C., and the time is 30 minutes. The magnetization M s is measured by a vibrating magnetometer.

図26に示されているように,Ni81Fe19膜の膜厚tが3.0nm以下であると,熱処理によって4πM×tが激しく変化し,更に,膜厚tの減少及び処理温度の増大に対して4πM×tは,急激に減少する。これらの試料は,その再現性が乏しい。このように,膜厚tが3nmであると,自由強磁性層の4πM×tは,熱処理に対して不安定になる。かかる不安定性は,自由強磁性体の膜厚tを薄くすることを妨げる。 As shown in FIG. 26, when the film thickness t of the Ni 81 Fe 19 film is 3.0 nm or less, 4πM s × t changes drastically by the heat treatment, and further, the decrease in the film thickness t and the processing temperature For the increase, 4πM s × t decreases rapidly. These samples have poor reproducibility. Thus, when the film thickness t is 3 nm, 4πM s × t of the free ferromagnetic layer becomes unstable with respect to the heat treatment. Such instability prevents the film thickness t of the free ferromagnet from being reduced.

磁気抵抗素子と他の素子とを電気的に接続する導体と,該磁気抵抗素子との間の相互拡散を抑制する技術の提供が望まれる。   It is desired to provide a technique for suppressing mutual diffusion between a conductor that electrically connects a magnetoresistive element and another element and the magnetoresistive element.

本発明の目的は,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体(例えば,ビア及び配線)と,磁気抵抗素子を構成する層との間の相互拡散を防止することにより,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子を構成する層に含まれる材料,特にNi,Mnが,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することにより,該導体の抵抗率が増大する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に含まれる材料が,磁気抵抗素子に拡散することにより,磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,磁気抵抗素子の固定強磁性層及び自由強磁性層内の磁気的結合および電気的結合を保ちつつ,磁気抵抗素子に含まれるMnやNiが磁気抵抗素子のトンネル絶縁層に拡散することによって磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層を薄膜化し,もって反転磁界を低減することを可能にする技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層を構成する材料の拡散を防止し,自由強磁性層の薄膜化と反転磁界の低減とを可能にする技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制しながら,反転磁界を低減させ,更に,磁気抵抗素子のアスペクト比及びサイズを小さくするための技術を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a technique for further improving the thermal stability of a magnetoresistive element.
Another object of the present invention is to prevent interdiffusion between conductors (eg, vias and wiring) that electrically connect the magnetoresistive element to other elements and the layers constituting the magnetoresistive element, The object is to provide a technique for further improving the thermal stability of the magnetoresistive element.
Still another object of the present invention is to disperse a material contained in a layer constituting the magnetoresistive element, in particular, Ni, Mn, into a conductor that electrically connects the magnetoresistive element to another element. An object of the present invention is to provide a technique for preventing a phenomenon in which resistivity increases.
Still another object of the present invention is to prevent a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion of a material contained in a conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element into the magnetoresistive element. To provide technology.
Still another object of the present invention is to maintain Mn and Ni contained in the magnetoresistive element in the tunnel of the magnetoresistive element while maintaining magnetic coupling and electrical coupling in the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element. An object of the present invention is to provide a technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion into an insulating layer.
Still another object of the present invention is to provide a technique that makes it possible to reduce the reversal magnetic field by thinning the free ferromagnetic layer.
Still another object of the present invention is to provide a technique that prevents the diffusion of the material constituting the free ferromagnetic layer and makes it possible to reduce the thickness of the free ferromagnetic layer and reduce the switching field.
Still another object of the present invention is to reduce the reversal magnetic field while maintaining the squareness of the magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer and to suppress the variation of the reversal magnetic field, and further to reduce the aspect ratio and size of the magnetoresistive element. It is to provide a technique for doing this.

以下に,[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて,課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は,[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために付加されている。但し,付加された番号・符号は,[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。   Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of [Best Mode for Carrying Out the Invention]. However, the added numbers and symbols shall not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].

本発明による磁気抵抗デバイスは,反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層(10)と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層(8)と,自由強磁性層(10)と固定強磁性層(8)との間に介設されたトンネル絶縁層(9)を含む磁気抵抗素子(4)と,磁気抵抗素子(4)を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体(2,3,11,22)と,導体(2,3,11,22)と磁気抵抗素子(4)との間に設けられた拡散防止構造体(13,14,21)とを備えている。磁気抵抗素子(4)を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体(2,3,11,22)とは,典型的には,ビア,及び配線層である。   A magnetoresistive device according to the present invention comprises a free ferromagnetic layer (10) having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer (8) having fixed fixed spontaneous magnetization, a free ferromagnetic layer (10), A magnetoresistive element (4) including a tunnel insulating layer (9) interposed between the fixed ferromagnetic layer (8) and a nonmagnetic element for electrically connecting the magnetoresistive element (4) to another element A conductor (2, 3, 11, 22) and a diffusion prevention structure (13, 14, 21) provided between the conductor (2, 3, 11, 22) and the magnetoresistive element (4). ing. The nonmagnetic conductors (2, 3, 11, and 22) that electrically connect the magnetoresistive element (4) to other elements are typically vias and wiring layers.

拡散防止構造体(13,14,21)は,導体(2,3,11,22)を構成する材料の少なくとも一種が磁気抵抗素子(4)に拡散することを防止する機能を有するように形成される。更に,拡散防止構造体(13,14,21)は,磁気抵抗素子(4)を構成する材料の少なくとも一種が磁気抵抗素子(4)に拡散することを防止する機能を有するように形成される。   The diffusion prevention structure (13, 14, 21) is formed so as to have a function of preventing at least one of the materials constituting the conductor (2, 3, 11, 22) from diffusing into the magnetoresistive element (4). Is done. Furthermore, the diffusion preventing structure (13, 14, 21) is formed so as to have a function of preventing at least one of the materials constituting the magnetoresistive element (4) from diffusing into the magnetoresistive element (4). .

拡散防止構造体(13,14,21)が,導体(2,3,11,22)から磁気抵抗素子(4)への拡散と,磁気抵抗素子(4)から導体(2,3,11,22)への拡散との両方を防止する機能を有することは重要である。導体(2,3,11,22)から磁気抵抗素子(4)への拡散と磁気抵抗素子(4)から導体(2,3,11,22)への拡散とのうちの一方の発生は,他方の発生の原因となる。従って,酸化物層(13,14,21)が,これらの2つの拡散形態の両方を防止することは,磁気抵抗素子(4)の特性の向上の観点から極めて好適である。   The diffusion preventing structure (13, 14, 21) diffuses from the conductor (2, 3, 11, 22) to the magnetoresistive element (4) and from the magnetoresistive element (4) to the conductor (2, 3, 11, It is important to have the function of preventing both diffusion to 22). One of the diffusion from the conductor (2, 3, 11, 22) to the magnetoresistive element (4) and the diffusion from the magnetoresistive element (4) to the conductor (2, 3, 11, 22) is It causes the other occurrence. Therefore, it is extremely preferable that the oxide layers (13, 14, 21) prevent both of these two diffusion forms from the viewpoint of improving the characteristics of the magnetoresistive element (4).

このような構造は,導体(2,3,11,22)がAl,Cu,Ta,Ru,Zr,Ti,Mo,及びWからなる群から選択された少なくとも一の元素を含む場合に有効である。   Such a structure is effective when the conductor (2, 3, 11, 22) contains at least one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ru, Zr, Ti, Mo, and W. is there.

拡散防止構造体(14)は,酸化物,窒化物,及び酸窒化物からなる群のうちから選択された一の材料で形成されることが好適である。これらの材料は,容易に緻密に形成可能であり拡散防止効果が大きい。拡散防止構造体(14)が導電性の窒化物で形成されることは,拡散防止構造体(14)の抵抗を減少させ,磁気抵抗素子(4)のSN比を有効に向上するため好ましい。拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素に対し,酸素に対する結合のしやすさが同等以上である元素の酸化物から構成されることが好ましい。拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも窒化物生成自由エネルギーが低い元素の窒化物で形成されることが好ましい。同様に,拡散防止構造体(14)は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物で形成されることが好適である。具体的には,拡散防止構造体(14)は,AlO,MgO,SiO,TiO,CaO,LiO,HfO,AlN,AlNO,SiN,SiNOTiNO,BNHfNO,ZrNからなる群から選択された材料で形成されることが好適である。 The diffusion preventing structure (14) is preferably formed of one material selected from the group consisting of oxides, nitrides, and oxynitrides. These materials can be easily formed densely and have a large diffusion preventing effect. It is preferable that the diffusion prevention structure (14) is formed of a conductive nitride because the resistance of the diffusion prevention structure (14) is reduced and the SN ratio of the magnetoresistive element (4) is effectively improved. The diffusion preventing structure (14) is preferably composed of an oxide of an element that has an equal or greater ease of bonding to oxygen with respect to an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces. The diffusion preventing structure (14) is preferably formed of a nitride of an element having a lower free energy for nitride formation than an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces thereof. Similarly, the diffusion preventing structure (14) is preferably formed of an oxynitride of an element having lower oxide formation free energy and lower nitride formation free energy than the elements constituting the layers in contact with the upper and lower surfaces thereof. It is. Specifically, the diffusion prevention structure (14) is made of AlO x , MgO x , SiO x , TiO x , CaO x , LiO x , HfO x , AlN, AlNO, SiN, SiNO , TiNO, BN , HfNO, ZrN. Preferably, it is formed of a material selected from the group consisting of:

拡散防止構造体(13,14,21)が酸化物で形成される場合,トンネル絶縁層(9)と拡散防止構造体(13,14,21)とは,同一の材料で形成されることが好適である。このような構造は,トンネル絶縁層(9)と拡散防止構造体(13,14,21)の形成に必要なコストを有効に削減する。この場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,トンネル絶縁層(9)よりも薄いことが好適である。加えて,自由強磁性層(10)の自発磁化の向きの検出のSN比を高くするためには,酸化物層(13,14,21)の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層(9)の厚さ方向の抵抗よりも低いことが好適である。   When the diffusion prevention structure (13, 14, 21) is formed of an oxide, the tunnel insulating layer (9) and the diffusion prevention structure (13, 14, 21) may be formed of the same material. Is preferred. Such a structure effectively reduces the cost required for forming the tunnel insulating layer (9) and the diffusion prevention structure (13, 14, 21). In this case, the diffusion prevention structure (13, 14, 21) is preferably thinner than the tunnel insulating layer (9). In addition, in order to increase the S / N ratio for detecting the direction of spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer (10), the resistance in the thickness direction of the oxide layers (13, 14, 21) is reduced by the tunnel insulating layer (9). It is preferable that the resistance is lower than the resistance in the thickness direction.

導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに固定強磁性層(8)に電気的に接続される第1導体(2,11)と,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)とを含む場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,第1導体(2,11)と固定強磁性層(8)との間に介設される第1拡散防止層(13)と,第2導体(3,22)と自由強磁性層(10)との間に介設される第2拡散防止層(14,21)とを含むことが好適である。このような構造は,固定強磁性層(8)と第1導体(2,11)との間の相互拡散,及び自由強磁性層(10)と第2導体(2,22)との間の相互拡散の両方を効果的に防止する。第1拡散防止層(13)と第2拡散防止層(14,21)とは,酸化物,窒化物,及び酸窒化物からなる群のうちから選択された一の材料で形成されることが好適である。   A conductor (2, 3, 11, 22) electrically connected to the pinned ferromagnetic layer (8) without passing through the tunnel insulating layer (9), and a tunnel insulating layer ( 9) including the second conductor (3, 22) that is electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without the interposition, the diffusion prevention structure (13, 14, 21) includes the first conductor (13, 14, 21). 2, 11) and the fixed ferromagnetic layer (8), between the first diffusion prevention layer (13), the second conductor (3, 22) and the free ferromagnetic layer (10). It is preferable to include an intervening second diffusion preventing layer (14, 21). Such a structure provides interdiffusion between the pinned ferromagnetic layer (8) and the first conductor (2, 11) and between the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (2, 22). It effectively prevents both interdiffusion. The first diffusion prevention layer (13) and the second diffusion prevention layer (14, 21) may be formed of one material selected from the group consisting of oxide, nitride, and oxynitride. Is preferred.

当該磁気抵抗デバイスは,Mnを含む層(7)を含む場合がある。PtMn,IrMnのような反強磁性体で形成された層は,典型的な,Mnを含む層(7)である。この場合,酸化物層(13)は,Mnを含む層(7)と導体(2,11)との間に介設されていることが好適である。更に当該磁気抵抗デバイスは,Niを含む層(10)を含む場合がある。NiFeのような磁気的にソフトな強磁性体で形成された層は,典型的な,Niを含む層(7)である。この場合,酸化物層(14,21)は,Niを含む層(10)と導体(3,22)との間に介設されていることが好適である。   The magnetoresistive device may include a layer (7) containing Mn. A layer formed of an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn is a typical Mn-containing layer (7). In this case, it is preferable that the oxide layer (13) is interposed between the layer (7) containing Mn and the conductors (2, 11). Further, the magnetoresistive device may include a layer (10) containing Ni. A layer formed of a magnetically soft ferromagnet such as NiFe is a typical Ni-containing layer (7). In this case, the oxide layers (14, 21) are preferably interposed between the Ni-containing layer (10) and the conductors (3, 22).

導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに固定強磁性層(8)に電気的に接続される第1導体(2,11)を含み,酸化物層(13,14,21)が,酸化物で形成され,且つ,固定強磁性層(8)と第1導体(2,11)との間に介設される第1酸化物層(13)を含み,磁気抵抗素子(4)は,固定強磁性層(8)に接合され,且つ,Mnを含む反強磁性層(7)を更に含む場合,反強磁性層(7)は,固定強磁性層(8)と第1酸化物層(13)との間に位置することが好適である。かかる構造は,反強磁性層(7)から第1導体(2,11)へのMnの拡散を有効に防止できる。   The conductor (2, 3, 11, 22) includes a first conductor (2, 11) that is electrically connected to the fixed ferromagnetic layer (8) without the tunnel insulating layer (9), and the oxide layer (13, 14, 21) is formed of an oxide, and a first oxide layer (13) interposed between the pinned ferromagnetic layer (8) and the first conductor (2, 11) is provided. The magnetoresistive element (4) is bonded to the pinned ferromagnetic layer (8) and further includes an antiferromagnetic layer (7) containing Mn, the antiferromagnetic layer (7) It is preferably located between the layer (8) and the first oxide layer (13). Such a structure can effectively prevent diffusion of Mn from the antiferromagnetic layer (7) to the first conductor (2, 11).

固定強磁性層(8)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(8b)と,強磁性層(8b)と反強磁性層(7)との間に挿入される複合磁性層(8a)とを含み,複合磁性層(8a)は,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されていることが好適である。かかる構造を有する複合磁性層(8a)は,反強磁性層(7)から強磁性層(8b)に交換相互作用を伝達する一方で,反強磁性層(7)に含まれるMnのトンネル絶縁層(9)への拡散を有効に防止する。これにより,複合磁性層(8a)と強磁性層(8b)とを固定強磁性層(8)として機能させるとともに,Mnの拡散による磁気トンネル接合の劣化を抑制することができる。強磁性層(8b)と,複合磁性層(8a)に含まれる金属強磁性体は,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。   The fixed ferromagnetic layer (8) includes a ferromagnetic layer (8b) directly joined to the tunnel insulating layer (9) and a composite inserted between the ferromagnetic layer (8b) and the antiferromagnetic layer (7). The composite magnetic layer (8a) includes a non-oxidized metal ferromagnet as a main component, is more easily coupled to oxygen than the metal ferromagnet, and is a nonmagnetic element. It is preferable that the oxide is formed by mixing as an accessory component. The composite magnetic layer (8a) having such a structure transmits exchange interaction from the antiferromagnetic layer (7) to the ferromagnetic layer (8b), while tunnel insulation of Mn contained in the antiferromagnetic layer (7). Effectively prevents diffusion into layer (9). As a result, the composite magnetic layer (8a) and the ferromagnetic layer (8b) can function as the fixed ferromagnetic layer (8), and deterioration of the magnetic tunnel junction due to Mn diffusion can be suppressed. The ferromagnetic material contained in the ferromagnetic layer (8b) and the composite magnetic layer (8a) is preferably formed of a metallic ferromagnetic alloy containing Co as a main component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.

自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(10a)と,強磁性層(10a)に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されている複合磁性層(10b)とを含むことが好ましい。かかる構造を有する複合磁性層(10b)は,結晶磁気異方性が小さくなるために比較的に磁気的にソフトであり,Niを含まずに磁気的にソフトな自由強磁性層(10)を実現することを可能にする。   The free ferromagnetic layer (10) is mainly composed of a ferromagnetic layer (10a) that is directly bonded to the tunnel insulating layer (9), and a metal ferromagnetic material that is bonded to the ferromagnetic layer (10a) and is not oxidized. As a component, it is preferable to include a composite magnetic layer (10b) which is more easily bonded to oxygen than the metal ferromagnet and is formed by mixing an oxide of a nonmagnetic element as a subcomponent. The composite magnetic layer (10b) having such a structure is relatively magnetically soft because the magnetocrystalline anisotropy is small, and a magnetically soft free ferromagnetic layer (10) containing no Ni is formed. Make it possible to realize.

自由強磁性層(10)が,Niを含み,導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)を含む場合,酸化物層(13,14,21)は,酸化物で形成され,且つ,自由強磁性層(10)と第2導体(3,22)との間に介設される第2酸化物層(14,21)を含むことが好適である。このような構造は,第2導体(3,22)を構成する材料の磁気抵抗素子(4)への拡散を防止するとともに,自由強磁性層(10)に含まれるNiの第2導体(3,22)への拡散を防止する。   The free ferromagnetic layer (10) contains Ni, and the conductors (2, 3, 11, 22) are electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without going through the tunnel insulating layer (9). When two conductors (3, 22) are included, the oxide layer (13, 14, 21) is formed of an oxide, and between the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (3, 22). It is preferable that the second oxide layer (14, 21) interposed between the first and second oxide layers is included. Such a structure prevents the material constituting the second conductor (3, 22) from diffusing into the magnetoresistive element (4), and at the same time prevents the Ni second conductor (3 included in the free ferromagnetic layer (10)). , 22) is prevented.

この場合,前記第2酸化物層(14)は,自由強磁性層(10)を構成し,Niを含むNi含有強磁性膜(10,10c)に直接に接することが好適である。この構造は,Ni含有強磁性膜(10,10c)の組成ずれを防止し,磁気抵抗素子(4)の特性を向上する。   In this case, it is preferable that the second oxide layer (14) constitutes a free ferromagnetic layer (10) and is in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film (10, 10c) containing Ni. This structure prevents the composition shift of the Ni-containing ferromagnetic film (10, 10c) and improves the characteristics of the magnetoresistive element (4).

自由強磁性層(10)は,Niを含まず,且つ,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する第1強磁性層(10a)と,第1強磁性層に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,前記金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合されて形成されている複合磁性層(10b)と,複合磁性層(10b)に接合され,Niを含み,且つ,複合磁性層(10b)及び第1強磁性層(10a)よりも磁気的にソフトである第2強磁性層(10c)とを含むことも好適である。複合磁性層(10b)は,第2強磁性層(10c)からトンネル絶縁層(9)へのNiの拡散を防止する一方,第2強磁性層(10c)から第1強磁性層(10a)への交換相互作用を媒介する。これにより,磁気的にソフトであり,且つ,Niのトンネル絶縁層(9)への拡散が発生しない磁気抵抗デバイスが実現可能になる。第1強磁性層(10a)と複合磁性層(10b)に含まれる金属強磁性体とは,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。   The free ferromagnetic layer (10) does not contain Ni and is joined to the first ferromagnetic layer (10a) directly joined to the tunnel insulating layer (9) and the first ferromagnetic layer, and is oxidized. A composite magnetic layer (10b) comprising a non-metallic ferromagnet as a main component, being more easily coupled to oxygen than the metal ferromagnet, and being mixed with an oxide of a nonmagnetic element as a subcomponent A second ferromagnetic layer (10c) that is bonded to the composite magnetic layer (10b), contains Ni, and is magnetically softer than the composite magnetic layer (10b) and the first ferromagnetic layer (10a); It is also suitable to contain. The composite magnetic layer (10b) prevents diffusion of Ni from the second ferromagnetic layer (10c) to the tunnel insulating layer (9), while the second ferromagnetic layer (10c) to the first ferromagnetic layer (10a). Mediates exchange interactions with This makes it possible to realize a magnetoresistive device that is magnetically soft and does not cause Ni to diffuse into the tunnel insulating layer (9). The metal ferromagnetic material included in the first ferromagnetic layer (10a) and the composite magnetic layer (10b) is preferably formed of a metal ferromagnetic alloy containing Co as a main component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.

自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する第1強磁性層(10d)と,第1強磁性層(10d)に接合され,且つ,酸化されていない金属強磁性体と非磁性の金属の酸化物とが混合されて形成されている第1複合磁性層(10e)と,酸化されていない金属強磁性体と非磁性の金属の酸化物とが混合されて形成されている第2複合磁性層(10g)と,第1複合磁性層(10e)と第2複合磁性層(10g)との間に介設され,第1複合磁性層(10e)と第2複合磁性層(10g)とを反強磁性的に結合する非磁性層(10f)とを含むことが好適である。非磁性層(10f)は,第2複合磁性層(10g)の自発磁化と,第1複合磁性層(10e)及び第1強磁性層(10d)の自発磁化とを反平行に保ち,これにより,自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにする。かかる構造は,Niを使用せずに自由強磁性層(10)を磁気的にソフトにすることを可能にする。   The free ferromagnetic layer (10) includes a first ferromagnetic layer (10d) directly bonded to the tunnel insulating layer (9) and a metal strong magnetic layer bonded to the first ferromagnetic layer (10d) and not oxidized. A first composite magnetic layer (10e) formed by mixing a magnetic material and a nonmagnetic metal oxide, and a non-oxidized metal ferromagnetic material and a nonmagnetic metal oxide are mixed. The second composite magnetic layer (10g) formed, and interposed between the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g), and the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g) It is preferable to include a nonmagnetic layer (10f) that antiferromagnetically couples the composite magnetic layer (10g). The nonmagnetic layer (10f) keeps the spontaneous magnetization of the second composite magnetic layer (10g) and the spontaneous magnetization of the first composite magnetic layer (10e) and the first ferromagnetic layer (10d) antiparallel, thereby The free ferromagnetic layer (10) is made magnetically softer. Such a structure allows the free ferromagnetic layer (10) to be magnetically soft without using Ni.

自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにするためには,自由強磁性層(10)は,更に,第2複合磁性層(10g)に接合され,Niを含み,且つ,第1複合磁性層(10e),第2複合磁性層(10g)及び第1強磁性層(10d)よりも磁気的にソフトである第2強磁性層(10h)を含むことが好適である。第2強磁性層(10h)が含むNiは,自由強磁性層(10)を一層に磁気的にソフトにする。Niがトンネル絶縁層(9)に拡散するという問題は,第1複合磁性層(10e),及び第2複合磁性層(10g)がNi拡散を防止するため回避可能である。更に,Niが自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3,22)に拡散するという問題は,自由強磁性層(10)と第2導体(3,22)との間に,酸化物で形成された第2酸化物層(14)が設けられることにより回避可能である。第1強磁性層(10d)と,前記第1複合磁性層(10e)に含まれる金属強磁性体と,前記第2複合磁性層(10g)に含まれる金属強磁性体とは,Coを主成分とする金属強磁性合金から形成されていることが望ましい。Coはスピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しにくい。   In order to magnetically soften the free ferromagnetic layer (10), the free ferromagnetic layer (10) is further bonded to the second composite magnetic layer (10g), contains Ni, and It is preferable to include a second ferromagnetic layer (10h) that is magnetically softer than the first composite magnetic layer (10e), the second composite magnetic layer (10g), and the first ferromagnetic layer (10d). Ni contained in the second ferromagnetic layer (10h) makes the free ferromagnetic layer (10) magnetically softer. The problem of Ni diffusing into the tunnel insulating layer (9) can be avoided because the first composite magnetic layer (10e) and the second composite magnetic layer (10g) prevent Ni diffusion. Furthermore, the problem that Ni diffuses into the second conductor (3, 22) electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) is that the free ferromagnetic layer (10) and the second conductor (3, 22) This can be avoided by providing a second oxide layer (14) made of an oxide between them. The first ferromagnetic layer (10d), the metal ferromagnet included in the first composite magnetic layer (10e), and the metal ferromagnet included in the second composite magnetic layer (10g) are mainly composed of Co. It is desirable to form from a metal ferromagnetic alloy as a component. Co has a high spin polarizability, is not easily oxidized, and is thermally stable and difficult to diffuse.

自由強磁性層(10)が第1複合磁性層(10e)と非磁性層(10f)と第2複合磁性層(10g)とを含む場合,自由強磁性層(10)は,更に,第1複合磁性層(10e)と非磁性層(10f)との間に介設された第3強磁性層(10i)と,第2複合磁性層(10g)と非磁性層(10f)との間に介設された第4強磁性層(10i)とを含み,第3強磁性層(10i)と第4強磁性層(10i)とは,Coを主成分とする金属強磁性層で形成されることが好適である。   When the free ferromagnetic layer (10) includes the first composite magnetic layer (10e), the nonmagnetic layer (10f), and the second composite magnetic layer (10g), the free ferromagnetic layer (10) further includes the first Between the third ferromagnetic layer (10i) interposed between the composite magnetic layer (10e) and the nonmagnetic layer (10f), and between the second composite magnetic layer (10g) and the nonmagnetic layer (10f). And the third ferromagnetic layer (10i) and the fourth ferromagnetic layer (10i) are formed of a metal ferromagnetic layer containing Co as a main component. Is preferred.

当該磁気抵抗デバイスが,更に,前記自由強磁性層(10)にバイアス磁場を印加する磁気バイアス素子(20)を備え,磁気バイアス素子(20)が磁気バイアス用強磁性層(17)と,磁気バイアス用強磁性層(17)に接合され,Mnを含む磁気バイアス用反強磁性層(18)とを含む場合,酸化物層(13,14,21)は,磁気バイアス素子(20)と自由強磁性層(10)との間に介設される第1酸化物層(14)と,磁気バイアス素子(20)と第2導体(3,22)との間に介設された第2酸化物層(21)とを含むことが好適である。   The magnetoresistive device further includes a magnetic bias element (20) for applying a bias magnetic field to the free ferromagnetic layer (10). The magnetic bias element (20) includes a magnetic bias ferromagnetic layer (17) and a magnetic field. When the magnetic biasing anti-ferromagnetic layer (18) containing Mn is bonded to the biasing ferromagnetic layer (17), the oxide layers (13, 14, 21) are free from the magnetic bias element (20). A first oxide layer (14) interposed between the ferromagnetic layer (10) and a second oxide interposed between the magnetic bias element (20) and the second conductors (3, 22). It is preferable that a physical layer (21) is included.

導体(2,3,11,22)が,トンネル絶縁層(9)を介さずに自由強磁性層(10)に電気的に接続される第2導体(3)を有する場合,拡散防止構造体(13,14,21)は,自由強磁性層(10)との間に介設される第2拡散防止層(14)を含むことが好適である。   When the conductor (2, 3, 11, 22) has the second conductor (3) electrically connected to the free ferromagnetic layer (10) without passing through the tunnel insulating layer (9), the diffusion prevention structure (13, 14, 21) preferably includes a second diffusion preventing layer (14) interposed between the free ferromagnetic layer (10).

第2拡散防止層(14)は,自由強磁性層(10)に直接に接合され,且つ,自由強磁性層(10)の膜厚は,3nm以下であることが好適であり,特に,自由強磁性層(10)の飽和磁化と膜厚との積が,3(T・nm)以下であることが好適である。   The second diffusion prevention layer (14) is directly joined to the free ferromagnetic layer (10), and the thickness of the free ferromagnetic layer (10) is preferably 3 nm or less, and in particular free The product of the saturation magnetization and the film thickness of the ferromagnetic layer (10) is preferably 3 (T · nm) or less.

自由強磁性層(10)は,Niを含むNi含有強磁性膜を含み,第2拡散防止層(14)は,Ni含有強磁性膜に直接に接することが好適である。   The free ferromagnetic layer (10) preferably includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni, and the second diffusion prevention layer (14) is preferably in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film.

自由強磁性層(10)は,トンネル絶縁層(9)に直接に接合する強磁性層(31)と,強磁性層(31)に接合され,且つ,非磁性元素と強磁性層(31)を構成する強磁性材料とを含有する磁化制御構造体(32,34,35)とを含むことが好適である。   The free ferromagnetic layer (10) includes a ferromagnetic layer (31) directly bonded to the tunnel insulating layer (9), a non-magnetic element and a ferromagnetic layer (31) bonded to the ferromagnetic layer (31). And a magnetization control structure (32, 34, 35) containing a ferromagnetic material constituting the material.

磁化制御構造体(32,34,35)は,非磁性体であることが好適である。   The magnetization control structure (32, 34, 35) is preferably a non-magnetic material.

磁化制御構造体(34)は,強磁性層(31)を構成する強磁性材料の酸化物又は窒化物で形成されていることが好適である。   The magnetization control structure (34) is preferably formed of an oxide or nitride of a ferromagnetic material constituting the ferromagnetic layer (31).

非磁性材料は,Ru,Pt,Hf,Pd,Al,W,Ti,Cr,Si,Zr,Cu,Zn,Nb,V,Cr,Mg,Ta,Moのうちから選択された少なくとも一の元素で構成されていることが好適である。また,非磁性材料は,強磁性材料の結晶の粒界に偏析していることが好適である。   The nonmagnetic material is at least one element selected from Ru, Pt, Hf, Pd, Al, W, Ti, Cr, Si, Zr, Cu, Zn, Nb, V, Cr, Mg, Ta, and Mo. It is preferable that it is comprised. The nonmagnetic material is preferably segregated at the crystal grain boundaries of the ferromagnetic material.

自由強磁性層(10)は,その応力誘起磁気異方性,及び形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致するように形成されることが好適である。   The free ferromagnetic layer (10) is preferably formed so that the directions of the easy axis of the stress-induced magnetic anisotropy and the shape magnetic anisotropy coincide.

具体的には,自由強磁性層(10)は,第1方向に長い形状を有し,自由強磁性層(10)の磁歪定数は正であり,自由強磁性層(10)には,前記第1方向と垂直な第2方向に圧縮応力が印加されていることが好適である。又は,自由強磁性層(10)には,前記第1方向に引っ張り応力が印加されることが好適である。   Specifically, the free ferromagnetic layer (10) has a shape that is long in the first direction, and the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is positive. It is preferable that a compressive stress is applied in a second direction perpendicular to the first direction. Alternatively, it is preferable that a tensile stress is applied to the free ferromagnetic layer (10) in the first direction.

また,自由強磁性層(10)の磁歪定数が負である場合には,自由強磁性層(10)には,前記第1方向に圧縮応力が印加され,又は,前記第1方向と垂直な第2方向に引っ張り応力が印加されることが好適である。   When the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is negative, a compressive stress is applied to the free ferromagnetic layer (10) in the first direction or is perpendicular to the first direction. It is preferable that a tensile stress is applied in the second direction.

応力の制御は,自由強磁性層(10)の長軸の方向と下部配線(3)のとの間の相対方向によって制御可能である。具体的には,自由強磁性層(10)の磁歪定数が正であり,且つ,自由強磁性層(10)は,第1方向に長い形状を有する場合,下部配線(3)は,第1方向に延設される。   The stress can be controlled by the relative direction between the direction of the long axis of the free ferromagnetic layer (10) and the lower wiring (3). Specifically, when the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is positive and the free ferromagnetic layer (10) has a long shape in the first direction, the lower wiring (3) It extends in the direction.

自由強磁性層(10)の磁歪定数が負であり,自由強磁性層(10)と前記トンネル絶縁層(9)とが接合する接合面は,前記第2方向と垂直な第1方向に長い形状を有する場合,下部配線(3)が第2方向に延設される。   The magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer (10) is negative, and the junction surface where the free ferromagnetic layer (10) and the tunnel insulating layer (9) are joined is long in the first direction perpendicular to the second direction. When it has a shape, the lower wiring (3) extends in the second direction.

自由強磁性層(10)の応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層(10)の形状磁気異方性よりも強いことが好適である。かかる自由強磁性層(10)の特性は,とりわけ,自由強磁性層(10)が,長軸と前記長軸に垂直な短軸とを有し,前記短軸に対する長軸の比として定義されるアスペクト比が,1.0以上,2.0以下である場合に好適である。   The stress-induced magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer (10) is preferably stronger than the shape magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer (10). The characteristics of the free ferromagnetic layer (10) are defined as the ratio of the major axis to the minor axis, in particular, the free ferromagnetic layer (10) has a major axis and a minor axis perpendicular to the major axis. This is suitable when the aspect ratio is 1.0 or more and 2.0 or less.

本発明により,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体(例えば,ビア及び配線)と,磁気抵抗素子を構成する層との間の相互拡散を防止することにより,磁気抵抗素子の熱的安定性を,一層に向上する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を構成する層に含まれる材料,特にNi,Mnが,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に拡散することにより,該導体の抵抗率が増大する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する導体に含まれる材料が,磁気抵抗素子に拡散することにより,磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,磁気抵抗素子の固定強磁性層及び自由強磁性層内の磁気的結合及び電気的結合を保ちつつ,磁気抵抗素子に含まれるMnやNiが磁気抵抗素子のトンネル絶縁層に拡散することによって磁気抵抗素子の特性が劣化する現象を防止する技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層を薄膜化し,もって反転磁界を低減することを可能にする技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層を構成する材料の拡散を防止し,自由強磁性層の薄膜化と反転磁界の低減とを可能にする技術が提供される。
また,本発明により,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制しながら,反転磁界を低減させ,更に,磁気抵抗素子のアスペクト比及びサイズを小さくするための技術が提供される。
The present invention provides a technique for further improving the thermal stability of the magnetoresistive element.
Further, according to the present invention, it is possible to prevent mutual diffusion between a conductor (for example, via and wiring) electrically connecting the magnetoresistive element to another element and a layer constituting the magnetoresistive element. A technique for further improving the thermal stability of the element is provided.
Further, according to the present invention, the material contained in the layer constituting the magnetoresistive element, particularly Ni, Mn, diffuses into the conductor that electrically connects the magnetoresistive element to other elements, so that the resistivity of the conductor is reduced. Techniques for preventing increasing phenomena are provided.
In addition, the present invention provides a technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of a magnetoresistive element deteriorate due to diffusion of a material contained in a conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element into the magnetoresistive element. Is done.
Further, according to the present invention, Mn and Ni contained in the magnetoresistive element are added to the tunnel insulating layer of the magnetoresistive element while maintaining the magnetic coupling and electrical coupling in the fixed ferromagnetic layer and the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element. A technique for preventing a phenomenon in which the characteristics of the magnetoresistive element deteriorate due to diffusion is provided.
In addition, the present invention provides a technique that makes it possible to reduce the reversal magnetic field by thinning the free ferromagnetic layer.
In addition, according to the present invention, there is provided a technique capable of preventing the material constituting the free ferromagnetic layer from diffusing and making the free ferromagnetic layer thin and reducing the switching magnetic field.
Further, according to the present invention, the reversal magnetic field is reduced while maintaining the squareness of the magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer and suppressing the variation of the reversal magnetic field, and further, the aspect ratio and size of the magnetoresistive element are reduced. Technology is provided.

本発明による磁気抵抗素子の実施の一形態は,図1に示されているように,クロスポイントセル型のMRAMである。実施の第1形態では,基板1の上面側に,下部配線2と上部配線3とが形成されている。下部配線2と上部配線3とは,Al90Cu10で形成されている。 One embodiment of the magnetoresistive element according to the present invention is a cross-point cell type MRAM as shown in FIG. In the first embodiment, the lower wiring 2 and the upper wiring 3 are formed on the upper surface side of the substrate 1. The lower wiring 2 and the upper wiring 3 are formed of Al 90 Cu 10 .

下部配線2と上部配線3との間には,MRAMのメモリセルとして機能する磁気抵抗素子4が設けられている。磁気抵抗素子4は,シード層5,バッファ層6,反強磁性層7,固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,及び自由強磁性層10を含む。磁気抵抗素子4の固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,及び自由強磁性層10は,磁気トンネル接合を構成する。   A magnetoresistive element 4 that functions as a memory cell of the MRAM is provided between the lower wiring 2 and the upper wiring 3. The magnetoresistive element 4 includes a seed layer 5, a buffer layer 6, an antiferromagnetic layer 7, a fixed ferromagnetic layer 8, a tunnel insulating layer 9, and a free ferromagnetic layer 10. The fixed ferromagnetic layer 8, the tunnel insulating layer 9, and the free ferromagnetic layer 10 of the magnetoresistive element 4 constitute a magnetic tunnel junction.

固定強磁性層8は,スピン分極率の高い金属強磁性合金,典型的には,CoFeで形成される。CoFe合金は,磁気的に比較的ハードな(即ち,保磁力が大きい)強磁性体である。後述されるように,固定強磁性層8の自発磁化は,反強磁性層7からの交換相互作用によって固定される。   The fixed ferromagnetic layer 8 is formed of a metal ferromagnetic alloy having a high spin polarizability, typically CoFe. The CoFe alloy is a ferromagnetic material that is magnetically relatively hard (that is, has a large coercive force). As will be described later, the spontaneous magnetization of the pinned ferromagnetic layer 8 is pinned by exchange interaction from the antiferromagnetic layer 7.

自由強磁性層10は,磁気的に比較的ソフトな(即ち,保磁力が小さい)強磁性体で形成される。自由強磁性層10は,その自発磁化が反転可能であり,且つ,該自発磁化の向きが,固定強磁性層8の自発磁化と平行(parallel),又は反平行(antiparallel)のいずれかを向くように形成されている。自由強磁性層10の自発磁化は反転可能であり,磁気抵抗素子4は,1ビットのデータを自由強磁性層10の自発磁化の向きとして記憶する。   The free ferromagnetic layer 10 is formed of a ferromagnetic material that is magnetically relatively soft (that is, has a small coercive force). The free magnetization of the free ferromagnetic layer 10 is reversible, and the direction of the spontaneous magnetization is either parallel or antiparallel to the spontaneous magnetization of the pinned ferromagnetic layer 8. It is formed as follows. The spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer 10 can be reversed, and the magnetoresistive element 4 stores 1-bit data as the direction of the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer 10.

自発磁化が反転される自由強磁性層10は,Niを含む強磁性体,典型的にはNiFeで形成される。一般に,Niを含む強磁性体は,比較的磁気的にソフトであり,自発磁化が反転される自由強磁性層10の形成に好適である。自由強磁性層10は,トンネル絶縁層9の上に形成されるCoFe層と,該CoFe層の上に形成されるNiFe層とで構成されることがある。スピン分極率が高いCoFe層により磁気トンネル接合のMR比が向上される一方,NiFe層は,CoFe層を磁気的にソフト化し,保磁力を低下させる。CoFe層とNiFe層とで形成される積層構造は,自発磁化の反転が容易で,且つ,MR比が高い磁気トンネル接合を実現する。   The free ferromagnetic layer 10 whose spontaneous magnetization is reversed is formed of a ferromagnetic material including Ni, typically NiFe. In general, a ferromagnetic material containing Ni is relatively magnetically soft and suitable for forming the free ferromagnetic layer 10 whose spontaneous magnetization is reversed. The free ferromagnetic layer 10 may be composed of a CoFe layer formed on the tunnel insulating layer 9 and a NiFe layer formed on the CoFe layer. The MR ratio of the magnetic tunnel junction is improved by the CoFe layer having a high spin polarizability, while the NiFe layer softens the CoFe layer and reduces the coercive force. The laminated structure formed of the CoFe layer and the NiFe layer realizes a magnetic tunnel junction in which spontaneous magnetization can be easily reversed and the MR ratio is high.

トンネル絶縁層9は,トンネル電流が流れる程度に薄い非磁性の絶縁体で形成される。トンネル絶縁層9は,典型的には,AlO,AlN,MgOで形成され,その厚さは,磁気抵抗素子4に求められる抵抗に応じて設定され,典型的には1.2〜2nmである。トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)により,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗値は,固定強磁性層8の自発磁化と自由強磁性層10の自発磁化とが,平行であるか,反平行によって異なる。トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗値によって磁気抵抗素子4に記憶されているデータの判別が可能である。 The tunnel insulating layer 9 is formed of a nonmagnetic insulator that is thin enough to allow a tunnel current to flow. The tunnel insulating layer 9 is typically formed of AlO x , AlN x , and MgO x , and the thickness thereof is set according to the resistance required for the magnetoresistive element 4, typically 1.2 to 2 nm. Due to the tunnel magnetoresistance effect (TMR effect), the resistance value in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9 is such that the spontaneous magnetization of the fixed ferromagnetic layer 8 and the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer 10 are parallel or antiparallel. It depends on. The data stored in the magnetoresistive element 4 can be discriminated by the resistance value in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9.

シード層5及びバッファ層6は,その上に設けられる反強磁性層7の配向を制御し,反強磁性層7の反強磁性相を安定化するために設けられる。シード層5は,典型的にはTa,Crで形成され,シード層5の上に設けられるバッファ層6は,典型的には,NiFe,CoFeで形成される。   The seed layer 5 and the buffer layer 6 are provided to control the orientation of the antiferromagnetic layer 7 provided thereon and to stabilize the antiferromagnetic phase of the antiferromagnetic layer 7. The seed layer 5 is typically formed of Ta and Cr, and the buffer layer 6 provided on the seed layer 5 is typically formed of NiFe and CoFe.

反強磁性層7は,Mnを含む反強磁性体,典型的には,PtMn及びIrMnで形成される。反強磁性層7は,その直上に接合される固定強磁性層8に交換相互作用を及ぼし,固定強磁性層8の自発磁化を固定する。   The antiferromagnetic layer 7 is formed of an antiferromagnetic material containing Mn, typically PtMn and IrMn. The antiferromagnetic layer 7 causes exchange interaction with the fixed ferromagnetic layer 8 bonded immediately above the antiferromagnetic layer 7 to fix the spontaneous magnetization of the fixed ferromagnetic layer 8.

磁気抵抗素子4と下部配線2との間には,ビア11,下部コンタクト層12,及び酸化物層13が設けられる。ビア11,下部コンタクト層12,及び酸化物層13を介して,磁気抵抗素子4の固定強磁性層8は,下部配線2に電気的に接続される。ビア11は,下部配線2に接合され,基板1の主面に垂直な方向に延設されている。ビア11は,典型的には,タングステン,銅,モリブデンで形成される。   A via 11, a lower contact layer 12, and an oxide layer 13 are provided between the magnetoresistive element 4 and the lower wiring 2. The fixed ferromagnetic layer 8 of the magnetoresistive element 4 is electrically connected to the lower wiring 2 through the via 11, the lower contact layer 12, and the oxide layer 13. The via 11 is bonded to the lower wiring 2 and extends in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 1. The via 11 is typically formed of tungsten, copper, or molybdenum.

下部コンタクト層12は,ビア11の上に設けられている。下部コンタクト層12は,ビア11に対する良好な付着層として機能し,且つ,その上部の酸化物層13の膜質を向上させる。更に下部コンタクト層12は,ビア11と酸化物層13との間の良好な電気的接触を保つ。下部コンタクト層層12は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。   The lower contact layer 12 is provided on the via 11. The lower contact layer 12 functions as a good adhesion layer for the via 11 and improves the film quality of the oxide layer 13 thereabove. Furthermore, the lower contact layer 12 maintains good electrical contact between the via 11 and the oxide layer 13. The lower contact layer 12 is typically formed of TiN, Ta, Ru, W, Zr, and Mo.

酸化物層13は,下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12と,磁気抵抗素子4との間の相互拡散を効果的に防止する。即ち,酸化物層13は,下部配線2を構成するアルミニウム及び銅,ビア11を構成するタングステン,銅,及びモリブデン,並びに,下部コンタクト層12を構成するTiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoが,磁気抵抗素子4に拡散することを有効に防止する。更に,酸化物層13は,バッファ層6を構成するNi,及び反強磁性層7を構成するMnが,下部配線2に拡散することを有効に防止する。酸化物で形成された酸化物層13は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。   The oxide layer 13 effectively prevents mutual diffusion between the lower wiring 2, the via 11 and the lower contact layer 12, and the magnetoresistive element 4. That is, the oxide layer 13 includes aluminum and copper constituting the lower wiring 2, tungsten, copper, and molybdenum constituting the via 11, and TiN, Ta, Ru, W, Zr, and the lower contact layer 12. Mo is effectively prevented from diffusing into the magnetoresistive element 4. Further, the oxide layer 13 effectively prevents Ni constituting the buffer layer 6 and Mn constituting the antiferromagnetic layer 7 from diffusing into the lower wiring 2. The oxide layer 13 formed of an oxide can easily have a dense structure, and can effectively prevent mutual diffusion.

酸化物層13が,下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12から磁気抵抗素子4への拡散と,磁気抵抗素子4から下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12への拡散との両方を防止する機能を有することは重要である。下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12から磁気抵抗素子4への拡散と磁気抵抗素子4から下部配線2,ビア11及び下部コンタクト層12への拡散とのうちの一方の発生は,他方の発生の原因となる。従って,酸化物層13が,これらの2つの拡散形態の両方を防止することは,磁気抵抗素子4の特性の向上の観点から極めて好適である。   The oxide layer 13 performs both diffusion from the lower wiring 2, the via 11 and the lower contact layer 12 to the magnetoresistive element 4, and diffusion from the magnetoresistive element 4 to the lower wiring 2, the via 11 and the lower contact layer 12. Having a function to prevent is important. One of the diffusion from the lower wiring 2, the via 11 and the lower contact layer 12 to the magnetoresistive element 4 and the diffusion from the magnetoresistive element 4 to the lower wiring 2, the via 11 and the lower contact layer 12 occurs in the other Causes the occurrence. Therefore, it is extremely preferable that the oxide layer 13 prevent both of these two diffusion forms from the viewpoint of improving the characteristics of the magnetoresistive element 4.

酸化物層13は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成されることが好適である。これらの元素の酸化物で形成された酸化物層13は,その構造が非常に緻密であり,酸素との結合力が高いため熱的安定性が高く,相互拡散の抑制効果が大きい。   The oxide layer 13 is preferably formed of an oxide of Al, Mg, Si, Hf, Li, Ca, and Ti. The oxide layer 13 formed of oxides of these elements has a very dense structure, high bonding strength with oxygen, high thermal stability, and a great effect of suppressing interdiffusion.

特にMnの拡散を防止するために,酸化物で形成された膜を使用することは,Mnの拡散を有効に抑制する点で好適である。Mnは,酸素に対して結合しやすい。このため,酸化物で形成されている酸化物層13にMnが拡散すると,拡散されたMnは,酸素と結合して安定化され,酸化物層13に固定される。Mnが酸化物層13に固定されることにより,Mnの下部配線2への拡散が効果的に防止される。   In particular, in order to prevent Mn diffusion, it is preferable to use a film formed of an oxide from the viewpoint of effectively suppressing Mn diffusion. Mn is easily bonded to oxygen. For this reason, when Mn diffuses in the oxide layer 13 formed of oxide, the diffused Mn is combined with oxygen and stabilized, and is fixed to the oxide layer 13. By fixing Mn to the oxide layer 13, the diffusion of Mn into the lower wiring 2 is effectively prevented.

酸化物層13は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層(即ち,下部コンタクト層12及びシード層5)を構成する材料よりも,酸素と結合する力が大きい材料の酸化物を用いることが好適である。そうでない材料の酸化物を酸化物層13に使用することは,酸化物層13の下面及び上面に接する層に酸素を拡散させて酸化物層13を不安定化し,酸化物層13の拡散防止効果を失わせるため好適でない。下部コンタクト層12にTa,シード層5にTa,又はCrを使用する場合には,それらより酸化物生成自由エネルギーが低いAl,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物を酸化物層13として使用することが好適である。   The oxide layer 13 is an oxidation of a material having a higher ability to bond with oxygen than the material constituting the lower surface (the surface on the substrate 1 side) and the layer in contact with the upper surface (that is, the lower contact layer 12 and the seed layer 5). It is preferable to use a product. Using an oxide of a material other than that for the oxide layer 13 causes oxygen to diffuse into the layers in contact with the lower surface and the upper surface of the oxide layer 13 to destabilize the oxide layer 13 and prevent diffusion of the oxide layer 13. It is not suitable because the effect is lost. When Ta is used for the lower contact layer 12 and Ta or Cr is used for the seed layer 5, oxides of Al, Mg, Si, Hf, Li, Ca, and Ti, which have lower free energy for oxide formation than those, are oxidized. It is preferable to use it as the physical layer 13.

トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するためには,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,なるべく小さいことが好適である。酸化物層13は,磁気トンネル接合に,電気的に直列に接続されるため,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を劣化させる。したがって,酸化物層13の厚さ方向の抵抗は,小さいことが好適であり,より具体的には,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。   In order to improve the SN ratio in detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9, it is preferable that the resistance in the thickness direction of the oxide layer 13 is as small as possible. Since the oxide layer 13 is electrically connected to the magnetic tunnel junction in series, the resistance in the thickness direction of the oxide layer 13 degrades the SN ratio in detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9. Therefore, the resistance in the thickness direction of the oxide layer 13 is preferably small, and more specifically, it is preferably smaller than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9.

拡散防止層として機能する酸化物層13は,その比抵抗が小さい場合(即ち,酸化物層13の膜厚を厚くできる場合)においても薄い方が好適である。酸化物層13を厚く成長させると,酸化物層13の格子歪みが増大し,ゆえに,自由強磁性層10に不所望に応力を与える。自由強磁性層10に加えられた応力は,自由強磁性層10の磁気異方性を変化させ,自由強磁性層10の特性の好適な制御を困難にするため好ましくない。具体的には,酸化物層13の厚さは,5nm以下であることが好適である。   The oxide layer 13 functioning as a diffusion preventing layer is preferably thin even when its specific resistance is small (that is, when the thickness of the oxide layer 13 can be increased). When the oxide layer 13 is grown thickly, the lattice distortion of the oxide layer 13 increases, and therefore undesirably stresses the free ferromagnetic layer 10. The stress applied to the free ferromagnetic layer 10 is not preferable because it changes the magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer 10 and makes it difficult to suitably control the characteristics of the free ferromagnetic layer 10. Specifically, the thickness of the oxide layer 13 is preferably 5 nm or less.

加えて,酸化物層13の厚さが1nm以下であることは,酸化物層13の厚さ方向の抵抗を実質的になくすことができる点で好適である。酸化物層13の厚さを1nm以下にすることにより,酸化物層13の抵抗は,トンネル現象によって極度に小さくなる。   In addition, it is preferable that the thickness of the oxide layer 13 is 1 nm or less because the resistance in the thickness direction of the oxide layer 13 can be substantially eliminated. By setting the thickness of the oxide layer 13 to 1 nm or less, the resistance of the oxide layer 13 becomes extremely small due to a tunnel phenomenon.

トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。例えば,トンネル絶縁層9と酸化物層13とをスパッタによって形成する場合,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一の材料で形成することにより,トンネル絶縁層9と酸化物層13とを同一のスパッタターゲットを使用して形成することが可能になる。   The formation of the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 with the same material means that the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 can be formed with a common device and material, and the cost required for manufacturing the MRAM can be reduced. It is suitable. For example, when the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 are formed by sputtering, the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 are formed by forming the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 with the same material. It becomes possible to form using the same sputter target.

トンネル絶縁層9と酸化物層13とが同一の材料で形成される場合,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するためには,酸化物層13の膜厚は,トンネル絶縁層9の膜厚よりも薄いことが好適である。これにより,酸化物層13の厚さ方向の抵抗がトンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さくなり,トンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上することができる。   When the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 13 are formed of the same material, in order to improve the SN ratio in detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9, the thickness of the oxide layer 13 is set to It is preferable that the film thickness is smaller than 9. Thereby, the resistance in the thickness direction of the oxide layer 13 becomes smaller than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9, and the SN ratio in detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9 can be improved.

上部配線3と磁気抵抗素子4との間には,酸化物層14と上部コンタクト層15とが設けられている。酸化物層14は,磁気抵抗素子4の自由強磁性層10の上に形成されている。上部コンタクト層15は,酸化物層14の上に形成され,上部配線3と接合される。磁気抵抗素子4の自由強磁性層10は,酸化物層14と上部コンタクト層15とを介して上部配線3に電気的に接続されている。   An oxide layer 14 and an upper contact layer 15 are provided between the upper wiring 3 and the magnetoresistive element 4. The oxide layer 14 is formed on the free ferromagnetic layer 10 of the magnetoresistive element 4. The upper contact layer 15 is formed on the oxide layer 14 and joined to the upper wiring 3. The free ferromagnetic layer 10 of the magnetoresistive element 4 is electrically connected to the upper wiring 3 through the oxide layer 14 and the upper contact layer 15.

上部コンタクト層15は,上部コンタクト層15よりも下部の層を素子加工プロセスによるダメージから保護し,且つ,酸化物層14と上部配線3との間の良好な電気的接触を保つ。上部コンタクト層15は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。   The upper contact layer 15 protects layers below the upper contact layer 15 from damage due to the element processing process, and maintains good electrical contact between the oxide layer 14 and the upper wiring 3. The upper contact layer 15 is typically formed of TiN, Ta, Ru, W, Zr, and Mo.

酸化物層14は,上部配線3と磁気抵抗素子4との間の相互拡散を効果的に防止する。即ち,酸化物層14は,上部配線3を構成するアルミニウム及び銅の磁気抵抗素子4への拡散を防止し,自由強磁性層10に含まれるNiの上部配線3への拡散を防止する。Niの上部配線3への拡散を抑制することにより,上部配線3の抵抗の上昇が防止される。酸化物で形成された酸化物層14は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。酸化物層13と同様の理由により,酸化物で形成された酸化物層14は,Niの拡散を有効に抑制する点で好適である。   The oxide layer 14 effectively prevents mutual diffusion between the upper wiring 3 and the magnetoresistive element 4. That is, the oxide layer 14 prevents diffusion of aluminum and copper constituting the upper wiring 3 into the magnetoresistive element 4 and prevents diffusion of Ni contained in the free ferromagnetic layer 10 into the upper wiring 3. By suppressing the diffusion of Ni into the upper wiring 3, the resistance of the upper wiring 3 is prevented from increasing. The oxide layer 14 formed of an oxide can easily have a dense structure, and can effectively prevent mutual diffusion. For the same reason as the oxide layer 13, the oxide layer 14 formed of an oxide is preferable in that it effectively suppresses the diffusion of Ni.

自由強磁性層10に直接に接続される酸化物層14が,自由強磁性層10から上部配線3へのNiの拡散を防止することは,自由強磁性層10の膜厚tを薄くし,もって自由強磁性層10のM×tの減少を可能にする点でも重要である。Niの自由強磁性層10からの流出は,特に自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合に自由強磁性層10の組成を大きく変動させ,自由強磁性層10の特性を不安定にする。酸化物層14の挿入は,Niが自由強磁性層10から流出することを防ぎ,自由強磁性層10の組成を所望値に調整可能にする。これは,自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合に特に有効である。 The fact that the oxide layer 14 directly connected to the free ferromagnetic layer 10 prevents the diffusion of Ni from the free ferromagnetic layer 10 to the upper wiring 3 reduces the thickness t of the free ferromagnetic layer 10, Therefore, it is important also in enabling reduction of M s × t of the free ferromagnetic layer 10. The outflow of Ni from the free ferromagnetic layer 10 causes the composition of the free ferromagnetic layer 10 to fluctuate greatly, particularly when the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is thin, and makes the characteristics of the free ferromagnetic layer 10 unstable. . The insertion of the oxide layer 14 prevents Ni from flowing out of the free ferromagnetic layer 10 and makes it possible to adjust the composition of the free ferromagnetic layer 10 to a desired value. This is particularly effective when the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is thin.

酸化物層13と同様に,酸化物層14が上部配線3から自由強磁性層10への拡散と自由強磁性層10から上部配線3への拡散の両方を防止する機能を有することは重要である。酸化物層13が,これらの拡散の両方を防止することは,磁気抵抗素子4の特性の向上の観点から極めて好適である。   Like the oxide layer 13, it is important that the oxide layer 14 has a function of preventing both diffusion from the upper wiring 3 to the free ferromagnetic layer 10 and diffusion from the free ferromagnetic layer 10 to the upper wiring 3. is there. It is extremely preferable that the oxide layer 13 prevent both of these diffusions from the viewpoint of improving the characteristics of the magnetoresistive element 4.

酸化物層14に求められる物性は,酸化物層13と同様であり,酸化物層13に好適な材料及び構造は,酸化物層14にも好適である。第1に,酸化物層14の構造を緻密化して,且つ,高温まで熱的安定性を保ち,相互拡散の抑制効果を増大するためには,酸化物層14は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成することが好適である。更に,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上するためには,酸化物層14の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。更に,酸化物層14の厚さが薄いこと,特に,5nm以下であることは,応力による自由強磁性層10への影響を抑制する点で好適である。更に,トンネル絶縁層9と酸化物層14とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層14とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。   The physical properties required for the oxide layer 14 are the same as those of the oxide layer 13, and materials and structures suitable for the oxide layer 13 are also suitable for the oxide layer 14. First, in order to refine the structure of the oxide layer 14, maintain thermal stability up to a high temperature, and increase the interdiffusion suppression effect, the oxide layer 14 includes Al, Mg, Si, It is preferable to form with oxides of Hf, Li, Ca, and Ti. Further, in order to improve the S / N ratio for detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9, the resistance in the thickness direction of the oxide layer 14 is preferably smaller than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9. Furthermore, it is preferable that the thickness of the oxide layer 14 is thin, in particular, 5 nm or less, from the viewpoint of suppressing the influence of the stress on the free ferromagnetic layer 10. Furthermore, forming the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 14 with the same material enables the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 14 to be formed with a common device and material, thereby reducing the cost required for manufacturing the MRAM. It is preferable in that it can be performed.

自由強磁性層10がNiを含む強磁性体層(典型的には,NiFe層)で形成されているとき,又は,Niを含む強磁性体層と他の強磁性体層との積層構造を有する場合(典型的には,CoFe層とNiFe層との積層構造を有する場合)には,酸化物層14は,Niを含む該強磁性体層の上に直接に接して形成されることが好適である。Niを含む強磁性体層は,Niの組成が最適組成からずれると,その特性が劣化しやすい。例えば,飽和磁化の大きさは,Niの組成によって大きな影響を受ける。酸化物層14がNiを含む該強磁性体層の上に直接に接していることは,該強磁性体層の上方へのNiの拡散経路を無くし,Niを含む強磁性体層の組成ずれを効果的に防止する。Niを含む強磁性層は,下部面に接する層(即ち,トンネル絶縁層9又は,上述の他の強磁性体層)に比べて上部面に接する層(即ち,上部コンタクト層15及び上部配線3)との拡散が大きいことが発明者等の実験により分かっており,Niを含む強磁性層の上部面に酸化物層14を直接に形成することは,特に,拡散防止に対して効果的である。   When the free ferromagnetic layer 10 is formed of a ferromagnetic layer containing Ni (typically a NiFe layer), or a laminated structure of a ferromagnetic layer containing Ni and another ferromagnetic layer. When it has (typically when it has a laminated structure of a CoFe layer and a NiFe layer), the oxide layer 14 may be formed directly on the ferromagnetic layer containing Ni. Is preferred. The characteristics of the ferromagnetic layer containing Ni are likely to deteriorate if the Ni composition deviates from the optimum composition. For example, the magnitude of saturation magnetization is greatly affected by the composition of Ni. The fact that the oxide layer 14 is in direct contact with the ferromagnetic layer containing Ni eliminates the diffusion path of Ni above the ferromagnetic layer, resulting in a composition shift of the ferromagnetic layer containing Ni. Effectively prevent. The ferromagnetic layer containing Ni is a layer in contact with the upper surface (that is, the upper contact layer 15 and the upper wiring 3 as compared with the layer in contact with the lower surface (that is, the tunnel insulating layer 9 or the other ferromagnetic layer described above)). It is known from experiments by the inventors and the like that the formation of the oxide layer 14 directly on the upper surface of the ferromagnetic layer containing Ni is particularly effective for preventing diffusion. is there.

以上に説明されているように,本実施の形態では,下部配線2と磁気抵抗素子4との間に酸化物層13が設けられ,下部配線2と磁気抵抗素子4との間の相互拡散が効果的に防止されている。更に,上部配線3と磁気抵抗素子4との間に酸化物層14が設けられ,上部配線3と磁気抵抗素子4との間の相互拡散が効果的に防止されている。下部配線2と上部配線3としてCuが使用される場合にも,酸化物層13,14の使用は,相互拡散の防止に有効である。   As described above, in the present embodiment, the oxide layer 13 is provided between the lower wiring 2 and the magnetoresistive element 4, and mutual diffusion between the lower wiring 2 and the magnetoresistive element 4 is prevented. It is effectively prevented. Furthermore, an oxide layer 14 is provided between the upper wiring 3 and the magnetoresistive element 4, and mutual diffusion between the upper wiring 3 and the magnetoresistive element 4 is effectively prevented. Even when Cu is used for the lower wiring 2 and the upper wiring 3, the use of the oxide layers 13 and 14 is effective in preventing mutual diffusion.

更に,本実施の形態では,自由強磁性層10の上に酸化物層14が形成されているため,自由強磁性層10を構成する材料,特に,Niの拡散が有効に防止される。これは,自由強磁性層10の膜厚tが薄い場合でも自由強磁性層10の磁化Mと膜厚tとの積M×tを小さい値に安定化させることを可能にする。既述のように,積M×tを小さくすることは,自由強磁性層10の反転磁界の減少及び安定化に重要である。本実施の形態の構造は,特に,自由強磁性層10の膜厚tを3nm以下にする場合,及び積M×tを3(T・nm)以下にする場合に有効である。 Furthermore, in this embodiment, since the oxide layer 14 is formed on the free ferromagnetic layer 10, the diffusion of the material constituting the free ferromagnetic layer 10, particularly Ni, is effectively prevented. This makes it possible to stabilize the product M s × t of the magnetization M s and the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 to a small value even when the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is thin. As described above, reducing the product M s × t is important for reducing and stabilizing the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer 10. The structure of the present embodiment is particularly effective when the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is 3 nm or less and when the product M s × t is 3 (T · nm) or less.

本実施の形態において,酸化物層13及び酸化物層14の代わりに,窒化物で形成された窒化物層が使用され得る。窒化物層,又は,酸窒化物層は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。酸化物層13及び酸化物層14と同様に,窒化物層は,その膜厚が5nm以下であることが好適である。窒化物層が厚いことは応力によって誘起される磁気異方性に起因する磁気特性の劣化の原因になり得るため望ましくない。   In the present embodiment, a nitride layer formed of nitride may be used instead of the oxide layer 13 and the oxide layer 14. The nitride layer or the oxynitride layer can easily have a dense structure, and can effectively prevent mutual diffusion. Like the oxide layer 13 and the oxide layer 14, the nitride layer preferably has a thickness of 5 nm or less. A thick nitride layer is undesirable because it can cause degradation of magnetic properties due to stress induced magnetic anisotropy.

上記の窒化物層を,導体である窒化物で形成することは,窒化物層の厚さ方向の抵抗を小さくし,もってトンネル絶縁層9の抵抗の検出におけるSN比を向上するため好適である。窒化物層の厚さ方向の抵抗は,小さいことが好適であり,より具体的には,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。   It is preferable to form the nitride layer with a nitride which is a conductor because the resistance in the thickness direction of the nitride layer is reduced and the SN ratio in the detection of the resistance of the tunnel insulating layer 9 is improved. . The resistance in the thickness direction of the nitride layer is preferably small, and more specifically, it is preferably smaller than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9.

窒化物層は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層を構成する材料よりも,窒化物生成自由エネルギーが低い材料の窒化物を用いることが好適である。そうでない窒化物材料を該窒化物層に使用することは,窒化物層の下面及び上面に接する層に窒素を拡散させて窒化物層を不安定化し,窒化物層の拡散防止効果を失わせるため好適でない。窒化物層を構成する窒化物としては,AlN,SiNBNZrNが好適に使用され得る。 As the nitride layer, it is preferable to use a nitride of a material having a lower free energy for nitride formation than the material constituting the lower surface (the surface on the substrate 1 side) and the layer in contact with the upper surface. Use of a non-nitride material for the nitride layer may cause the nitride layer to become unstable by diffusing nitrogen into the lower layer and the upper layer of the nitride layer, thereby losing the diffusion preventing effect of the nitride layer. Therefore, it is not suitable. As the nitride constituting the nitride layer, AlN, SiN , BN , and ZrN can be suitably used.

また,本実施の形態において,酸化物層13及び酸化物層14の代わりに,酸窒化物で形成された酸窒化物層が使用され得る。酸窒化物層は,その構造を緻密にすることが容易であり,相互拡散を有効に防止可能である。窒化物層と同様に,酸窒化物層は,その膜厚が5nm以下であることが好適である。酸窒化物層が厚いことは,応力によって誘起される磁気異方性に起因する磁気特性の劣化の原因になり得るため望ましくない。   In this embodiment, an oxynitride layer formed of oxynitride may be used instead of the oxide layer 13 and the oxide layer 14. The oxynitride layer can easily have a dense structure, and can effectively prevent mutual diffusion. Similar to the nitride layer, the oxynitride layer preferably has a thickness of 5 nm or less. A thick oxynitride layer is undesirable because it can cause degradation of magnetic properties due to magnetic anisotropy induced by stress.

酸窒化物層は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層を構成する材料よりも,酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い材料の酸窒化物を用いることが好適である。そうでない酸窒化物材料を該酸窒化物層に使用することは,酸窒化物層の下面及び上面に接する層に酸素及び/又は窒素を拡散させて酸窒化物層を不安定化し,酸窒化物層の拡散防止効果を失わせるため好適でない。酸窒化物層を構成する窒化物としては,AlN,SiN,TiN,BN,TaN,ZrNが好適に使用され得る。   As the oxynitride layer, an oxynitride of a material having lower oxide formation free energy and lower nitride formation free energy than the material constituting the lower surface (the surface on the substrate 1 side) and the layer in contact with the upper surface is used. Is preferred. Using other oxynitride materials for the oxynitride layer destabilizes the oxynitride layer by diffusing oxygen and / or nitrogen into the layer in contact with the lower surface and the upper surface of the oxynitride layer. This is not preferable because the effect of preventing diffusion of the physical layer is lost. As the nitride constituting the oxynitride layer, AlN, SiN, TiN, BN, TaN, and ZrN can be suitably used.

上述のように,自由強磁性層10の上への酸化物層14(又は窒化物膜若しくは酸窒化物膜)の形成は,自由強磁性層10の膜厚tの薄膜化を可能にし,もって,自由強磁性層10の磁化Mと膜厚tとの積M×tの低減を可能にする。しかし,自由強磁性層10の磁化Mと膜厚tとの積M×tを安定的に低減させるためには,自由強磁性層10の膜厚tの単純な薄膜化では限界がある。なぜなら,薄膜の形成過程から理解されるように,自由強磁性層10の膜厚tを極めて薄くしようとすると,自由強磁性層10は,島状にしか形成されず,不連続になってしまう。 As described above, the formation of the oxide layer 14 (or nitride film or oxynitride film) on the free ferromagnetic layer 10 enables the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 to be reduced. , It is possible to reduce the product M s × t of the magnetization M s and the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10. However, in order to stably reduce the product M s × t of the magnetization M s and the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10, there is a limit to simply reducing the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10. . This is because, as is understood from the thin film formation process, when the film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is made extremely thin, the free ferromagnetic layer 10 is formed only in an island shape and becomes discontinuous. .

かかる問題は,充分に厚い自由強磁性層10の一部分を変質させ,これにより当該部分の磁化を減少させる,又は消失させることによって解消可能である。この方法は,自由強磁性層10を連続的な構造に形成しながら,自由強磁性層10の実効的な膜厚及び磁化を減少させ,もって積M×tを減少することを可能にする。自由強磁性層10のトンネル絶縁層9に接する部分の強磁性は影響を受けないため,MR比は低減しない。自由強磁性層10は,変質された部分が非磁性体になるように変質されることが好適である。自由強磁性層10の変質された部分が非磁性体になることにより,自由強磁性層10の実効的な膜厚tが減少し,一層有効に積M×tを減少させることが可能になる。 Such a problem can be solved by altering a part of the sufficiently thick free ferromagnetic layer 10 to thereby reduce or eliminate the magnetization of the part. This method makes it possible to reduce the effective film thickness and magnetization of the free ferromagnetic layer 10 while reducing the product M s × t, while forming the free ferromagnetic layer 10 in a continuous structure. . Since the ferromagnetism in the portion of the free ferromagnetic layer 10 in contact with the tunnel insulating layer 9 is not affected, the MR ratio is not reduced. The free ferromagnetic layer 10 is preferably altered so that the altered portion becomes a non-magnetic material. Since the altered portion of the free ferromagnetic layer 10 becomes a non-magnetic material, the effective film thickness t of the free ferromagnetic layer 10 is reduced, and the product M s × t can be more effectively reduced. Become.

具体的には,積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成は,下記の方法により実現可能である:第1の方法では,図27に示されているように,自由強磁性層10が,強磁性体で形成された強磁性層31と,非磁性金属で形成された拡散層32とで構成される。強磁性層31はトンネル絶縁層9の上に形成され,拡散層32は強磁性層31の上に形成され,そして酸化物層14は拡散層32の上に形成される。強磁性層31は,典型的には,NiFeで形成される。非磁性金属膜は,典型的には,Ru,Pt,Hf,Pd,Al,W,Ti,Cr,Si,Zr,Cu,Zn,V,Cr,及びMoで形成され得る。熱処理が行われると,強磁性層31と拡散層32との間で拡散が発生し,強磁性層31の一部分が変質して磁化Mが低下する。これにより,積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10が得られる。このような構造の自由強磁性層10は,拡散層32の膜厚によって,自由強磁性層10の磁化の低下の程度を容易に調整することができる。一方,酸化物層14が形成されているために上部コンタクト層15によって自由強磁性層10を構成する材料が奪われることがないため,自由強磁性層10の積M×tを安定化することができる。 Specifically, the formation of the free ferromagnetic layer 10 having a small product M s × t and a continuous structure can be realized by the following method: In the first method, as shown in FIG. As shown, the free ferromagnetic layer 10 is composed of a ferromagnetic layer 31 formed of a ferromagnetic material and a diffusion layer 32 formed of a nonmagnetic metal. The ferromagnetic layer 31 is formed on the tunnel insulating layer 9, the diffusion layer 32 is formed on the ferromagnetic layer 31, and the oxide layer 14 is formed on the diffusion layer 32. The ferromagnetic layer 31 is typically made of NiFe. The nonmagnetic metal film can typically be formed of Ru, Pt, Hf, Pd, Al, W, Ti, Cr, Si, Zr, Cu, Zn, V, Cr, and Mo. When the heat treatment is performed, diffusion occurs between the ferromagnetic layer 31 and the diffusion layer 32, a part of the ferromagnetic layer 31 is altered, and the magnetization Ms is lowered. Thus, the free ferromagnetic layer 10 having a small product M s × t and a continuous structure is obtained. In the free ferromagnetic layer 10 having such a structure, the degree of magnetization reduction of the free ferromagnetic layer 10 can be easily adjusted by the film thickness of the diffusion layer 32. On the other hand, since the oxide layer 14 is formed, the material constituting the free ferromagnetic layer 10 is not taken away by the upper contact layer 15, so that the product M s × t of the free ferromagnetic layer 10 is stabilized. be able to.

拡散層32は,連続した「層」をなすことは必ずしも必要でない。拡散層32は,膜厚が極めて薄く,拡散層32が島状の構造体になるように形成されることも可能である。   The diffusion layer 32 is not necessarily required to form a continuous “layer”. The diffusion layer 32 can be formed so that the film thickness is extremely thin and the diffusion layer 32 becomes an island-shaped structure.

拡散層32は,トンネル絶縁層9に直接に接触しない限り,自由強磁性層10の内部,又は自由強磁性層10に接する任意の位置に設けられてもよい。例えば,図28に示されているように,自由強磁性層10が,強磁性層31,33と,これらの間に介設された拡散層32とで構成されることが可能である。拡散層32が,トンネル絶縁層9に直接に接触することは,MR比を低減させるため好適でない。熱処理により,拡散層32と,強磁性層31,33との間で相互拡散が発生し,積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10が得られる。この場合も,拡散層32は,連続した「層」をなすことは必ずしも必要でないことに留意されたい。 The diffusion layer 32 may be provided inside the free ferromagnetic layer 10 or at any position in contact with the free ferromagnetic layer 10 as long as it does not directly contact the tunnel insulating layer 9. For example, as shown in FIG. 28, the free ferromagnetic layer 10 can be composed of ferromagnetic layers 31 and 33 and a diffusion layer 32 interposed therebetween. It is not preferable that the diffusion layer 32 is in direct contact with the tunnel insulating layer 9 because the MR ratio is reduced. By the heat treatment, mutual diffusion occurs between the diffusion layer 32 and the ferromagnetic layers 31 and 33, and the free ferromagnetic layer 10 having a small product M s × t and a continuous structure is obtained. Again, it should be noted that the diffusion layer 32 need not necessarily be a continuous “layer”.

第2の方法では,図29に示されているように,トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上面の一部が,窒化又は酸化され,変質層34が形成される。強磁性層31の残部と変質層34とにより自由強磁性層10が構成される。強磁性層31の一部の窒化及び酸化は,強磁性層31の上面を,それぞれ窒素プラズマ及び酸素プラズマに曝すことによって達成され得る。強磁性層31の一部が窒化及び酸化されることにより,窒化又は酸化された部分の磁化が失われ,又は低減され,積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成が可能である。強磁性層31の一部が窒化又は酸化される代わりに,ホウ化,塩化,又は炭化されることも可能である。 In the second method, as shown in FIG. 29, after the ferromagnetic layer 31 is formed on the tunnel insulating layer 9, a part of the upper surface thereof is nitrided or oxidized to form the altered layer 34. Is done. The remaining portion of the ferromagnetic layer 31 and the altered layer 34 constitute the free ferromagnetic layer 10. Nitriding and oxidation of a portion of the ferromagnetic layer 31 can be achieved by exposing the upper surface of the ferromagnetic layer 31 to nitrogen plasma and oxygen plasma, respectively. When a part of the ferromagnetic layer 31 is nitrided and oxidized, the magnetization of the nitrided or oxidized part is lost or reduced, the product M s × t is small, and the free strength having a continuous structure is obtained. The magnetic layer 10 can be formed. Instead of being nitrided or oxidized, a portion of the ferromagnetic layer 31 can be borated, chlorinated, or carbonized.

変質層34が酸化物で形成される場合には,下記の方法により,変質層34の形成と,酸化物層14の形成とを同時的に行うことも可能である。トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上に酸化物層14を形成するための金属膜が形成される。その金属膜の上面が酸素プラズマに曝される。金属膜が完全に酸化されて酸化物層14が形成された後も酸素プラズマへの曝露は継続され,これにより,強磁性層31の一部分が酸化される。酸素プラズマに曝露される時間を制御することにより,強磁性層31の酸化される部分の膜厚を制御することが可能である。これは,自由強磁性層10の実効的な膜厚を制御することと等価である。   When the altered layer 34 is formed of an oxide, the altered layer 34 and the oxide layer 14 can be simultaneously formed by the following method. After the ferromagnetic layer 31 is formed on the tunnel insulating layer 9, a metal film for forming the oxide layer 14 is formed thereon. The upper surface of the metal film is exposed to oxygen plasma. Even after the metal film is completely oxidized and the oxide layer 14 is formed, the exposure to the oxygen plasma is continued, whereby a part of the ferromagnetic layer 31 is oxidized. By controlling the exposure time to the oxygen plasma, it is possible to control the film thickness of the oxidized portion of the ferromagnetic layer 31. This is equivalent to controlling the effective film thickness of the free ferromagnetic layer 10.

変質層34が窒化物で形成される場合には,下記の方法により,強磁性層31の一部分の窒化による変質層34の形成と,酸化物層14の形成とを同時的に行うことも可能である。トンネル絶縁層9の上に強磁性層31が形成された後,その上に酸化物層14を形成するための金属膜が形成される。その金属膜の上面が窒素プラズマに曝される。金属膜が完全に窒化された後も窒素プラズマへの曝露は継続され,これにより,強磁性層31の一部分が窒化される。その後,窒化された金属膜が酸化され,酸化物層14が形成される。酸素に対する結合力の差から,自由強磁性層10の窒化された部分は,酸化されない。   When the altered layer 34 is formed of nitride, the altered layer 34 by nitriding a part of the ferromagnetic layer 31 and the oxide layer 14 can be simultaneously formed by the following method. It is. After the ferromagnetic layer 31 is formed on the tunnel insulating layer 9, a metal film for forming the oxide layer 14 is formed thereon. The upper surface of the metal film is exposed to nitrogen plasma. Even after the metal film is completely nitrided, the exposure to the nitrogen plasma is continued, whereby a part of the ferromagnetic layer 31 is nitrided. Thereafter, the nitrided metal film is oxidized to form an oxide layer 14. The nitrided portion of the free ferromagnetic layer 10 is not oxidized due to the difference in binding force to oxygen.

積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10は,図30に示されている構造でも得られる:トンネル絶縁層9の上に強磁性体で強磁性層31が形成される。その強磁性層31の上に,強磁性層31と同じ強磁性体で形成され,且つ,非磁性金属がドープされたドープ強磁性層35が形成される。形成された強磁性層31とドープ強磁性層35とが自由強磁性層10として機能する。ドープ強磁性層35では,非磁性金属は,強磁性体の結晶り偏析
非磁性金属がドープ強磁性層35にドープされることにより,ドープ強磁性層35の磁化が低減され,積M×tが小さく,且つ,連続的な構造を有する自由強磁性層10の形成が可能である。
The free ferromagnetic layer 10 having a small product M s × t and a continuous structure can also be obtained by the structure shown in FIG. 30: a ferromagnetic layer 31 made of a ferromagnetic material on the tunnel insulating layer 9. Is formed. On the ferromagnetic layer 31, a doped ferromagnetic layer 35 made of the same ferromagnetic material as the ferromagnetic layer 31 and doped with a nonmagnetic metal is formed. The formed ferromagnetic layer 31 and the doped ferromagnetic layer 35 function as the free ferromagnetic layer 10. In the doped ferromagnetic layer 35, the magnetization of the ferromagnetic material 35 is reduced by doping the doped ferromagnetic layer 35 with the crystallized segregated nonmagnetic metal of the ferromagnetic material, and the product M s × The free ferromagnetic layer 10 having a small t and a continuous structure can be formed.

以下に詳細に述べられるように,酸化物層14(又は窒化膜,若しくは酸窒化膜)の挿入によって上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止して自由強磁性層10の組成を所望値に制御する技術は,自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性(stress-induced magnetic anisotropy)の制御に有用である。自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性による異方性磁界Hsの大きさは,下記式(3):
=3(λ・σ)/M, …(3)
で表される。ここで,λは,自由強磁性層10の磁歪定数であり,σは,自由強磁性層10に印加される応力である。磁歪定数λは,自由強磁性層10の組成に依存する。一方で,酸化物層14は,異なる磁気抵抗素子4の自由強磁性層10の組成のばらつき,及び,一の自由強磁性層10の内部での組成のばらつきを有効に減少させる。これは,酸化物層14の挿入により,自由強磁性層10の磁歪定数の制御が可能になり,従って応力誘起磁気異方性の制御が可能になることを意味する。
As will be described in detail below, insertion of an oxide layer 14 (or nitride film or oxynitride film) prevents interdiffusion between the upper wiring 3 and the free ferromagnetic layer 10 to thereby prevent the free ferromagnetic layer 10. The technique of controlling the composition of the magnetic material to a desired value is useful for controlling the stress-induced magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer 10. The magnitude of the anisotropic magnetic field Hs due to the stress-induced magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer 10 is expressed by the following formula (3):
H s = 3 (λ · σ) / M s , (3)
It is represented by Here, λ is a magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer 10, and σ is a stress applied to the free ferromagnetic layer 10. The magnetostriction constant λ depends on the composition of the free ferromagnetic layer 10. On the other hand, the oxide layer 14 effectively reduces the variation in the composition of the free ferromagnetic layers 10 of the different magnetoresistive elements 4 and the variation in the composition within one free ferromagnetic layer 10. This means that the insertion of the oxide layer 14 makes it possible to control the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer 10 and thus to control the stress-induced magnetic anisotropy.

図31,32は,応力誘起磁気異方性の制御を実現するMRAM構造を示している。図31に示されているように,基板1の上には,下部電極2が,例えば,Al,Cu,AlCuのような金属で形成される。図32に示されているように,下部電極2は,y軸方向に延設され,上部配線3は,x軸方向に延設されている。自由強磁性層10は,x軸方向に短軸を,y軸方向に長軸を有している。かかる形状は,自由強磁性層10に,y軸方向の形状磁気異方性を与える。図31に示されているように,下部電極2の上方に,下部コンタクト層12,酸化物層13,シード層5,バッファ層6,及び反強磁性層7が順次に形成されている。下部コンタクト層12は,ビア11によって下部電極2に接続されている。反強磁性層7の上には,固定強磁性層8,トンネル絶縁層9,自由強磁性層10が順次に形成されている。自由強磁性層10の上には,酸化物層14と上部コンタクト層15とが順次に形成され,上部コンタクト層15は,ビア22を介して上部配線3に接続されている。自由強磁性層10の組成は,自由強磁性層10の磁歪定数λが正になるように選ばれている。自由強磁性層10がNiFe1−xで形成される場合,xを0.82未満に制御することによって磁歪定数λを正にすることが可能である。 31 and 32 show an MRAM structure that realizes control of stress-induced magnetic anisotropy. As shown in FIG. 31, on the substrate 1, the lower electrode 2 is formed of a metal such as Al, Cu, or AlCu. As shown in FIG. 32, the lower electrode 2 extends in the y-axis direction, and the upper wiring 3 extends in the x-axis direction. The free ferromagnetic layer 10 has a minor axis in the x-axis direction and a major axis in the y-axis direction. Such a shape gives the free ferromagnetic layer 10 shape magnetic anisotropy in the y-axis direction. As shown in FIG. 31, the lower contact layer 12, the oxide layer 13, the seed layer 5, the buffer layer 6, and the antiferromagnetic layer 7 are sequentially formed above the lower electrode 2. The lower contact layer 12 is connected to the lower electrode 2 by a via 11. On the antiferromagnetic layer 7, a fixed ferromagnetic layer 8, a tunnel insulating layer 9, and a free ferromagnetic layer 10 are sequentially formed. An oxide layer 14 and an upper contact layer 15 are sequentially formed on the free ferromagnetic layer 10, and the upper contact layer 15 is connected to the upper wiring 3 through a via 22. The composition of the free ferromagnetic layer 10 is selected so that the magnetostriction constant λ of the free ferromagnetic layer 10 is positive. When the free ferromagnetic layer 10 is formed of Ni x Fe 1-x , the magnetostriction constant λ can be made positive by controlling x to be less than 0.82.

図33に示されているように,上述の構造は,応力誘起磁気異方性の磁化容易軸(axis of easy magnetization)の方向 (異方性定数:K2)と形状磁気異方性の磁化容易軸方向(異方性定数:K3)の方向とを一致させ,これにより,自由強磁性層10の特性の安定化を可能にする。y軸方向に延伸する下部配線2は,x軸方向(即ち,自由強磁性層10の長軸の方向)に引っ張り応力を,y軸方向(即ち,自由強磁性層10の短軸の方向)に圧縮応力を誘起させる。発明者らの検討によれば,上部配線3が発生する応力が自由強磁性層10に与える影響は小さいことに留意されるべきである。自由強磁性層10の磁歪定数λが正であるため,下部配線2が生成するx軸方向の圧縮応力,及びy軸方向の引っ張り応力は,応力誘起磁気異方性をy軸方向に発生させ,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向とを一致させる。応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致していることは,自由強磁性層10に大きな一軸性(uniaxiality)を与え,自由強磁性層10をシングルドメイン構造にすることを可能にする。これは,自由強磁性層10の特性を有効に安定化する。具体的には,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸方向の一致は,自由強磁性層10の磁界−磁化曲線の角型比を向上し,更に,保磁力のばらつきを抑制する。応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の方向とを一致させないようなMRAMの構造は,書き込み配線に対する一軸異方性の磁化容易軸方向を変動させるため、自由強磁性層10の特性を不所望に不安定化する。   As shown in FIG. 33, the above structure has the direction of the axis of easy magnetization (anisotropy constant: K2) of the stress-induced magnetic anisotropy and the easy magnetization of the shape magnetic anisotropy. The direction of the axial direction (anisotropy constant: K3) is made coincident, and thereby the characteristics of the free ferromagnetic layer 10 can be stabilized. The lower wiring 2 extending in the y-axis direction applies tensile stress in the x-axis direction (that is, the long axis direction of the free ferromagnetic layer 10) and y-axis direction (that is, the short axis direction of the free ferromagnetic layer 10). Induces compressive stress. According to the inventors' investigation, it should be noted that the influence of the stress generated by the upper wiring 3 on the free ferromagnetic layer 10 is small. Since the magnetostriction constant λ of the free ferromagnetic layer 10 is positive, the compressive stress in the x-axis direction and the tensile stress in the y-axis direction generated by the lower wiring 2 cause stress-induced magnetic anisotropy in the y-axis direction. , Make the direction of stress-induced magnetic anisotropy and shape magnetic anisotropy coincide. The fact that the directions of the easy axes of stress-induced magnetic anisotropy and shape magnetic anisotropy coincide with each other gives the free ferromagnetic layer 10 a large uniaxiality, and the free ferromagnetic layer 10 has a single domain structure. Makes it possible to This effectively stabilizes the characteristics of the free ferromagnetic layer 10. Specifically, the coincidence of the stress-induced magnetic anisotropy and the shape magnetic anisotropy with the direction of the easy axis of magnetization improves the squareness ratio of the magnetic field-magnetization curve of the free ferromagnetic layer 10 and further varies the coercivity. Suppress. The structure of the MRAM in which the directions of the stress-induced magnetic anisotropy and the shape magnetic anisotropy do not coincide with each other changes the easy axis direction of magnetization of the uniaxial anisotropy with respect to the write wiring. Undesirably destabilize.

自由強磁性層10の特性を一層に安定化するためには,自由強磁性層10は,その結晶磁気異方性の磁化容易軸の方向が,応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向と一致するように形成されることが好適である。結晶磁気異方性K1の磁化容易軸の方向が,応力誘起磁気異方性K2及び形状磁気異方性K3の磁化容易軸の方向と一致することは,自由強磁性層10の磁気異方性の一軸性を強くし,これにより,自由強磁性層10の特性を安定化する。   In order to further stabilize the characteristics of the free ferromagnetic layer 10, the direction of the easy axis of the magnetocrystalline anisotropy of the free ferromagnetic layer 10 is stress-induced magnetic anisotropy and shape magnetic anisotropy. It is preferable that it is formed so as to coincide with the direction of the easy axis of magnetization. The direction of the easy axis of magnetization of the magnetocrystalline anisotropy K1 matches the direction of the easy axis of magnetization of the stress-induced magnetic anisotropy K2 and the shape magnetic anisotropy K3. , Thereby stabilizing the characteristics of the free ferromagnetic layer 10.

図34は,応力誘起磁気異方性の制御を実現する他のMRAM構造を示している。下部配線2はy軸方向に延設され,上部配線3はx軸方向に延設される。磁気抵抗素子4は,自由強磁性層10の長軸がx軸方向に,短軸がy軸方向に向くように形成されている。図34に示されている構造では,自由強磁性層10の長軸と短軸の方向が,図32に示されている自由強磁性層10の長軸と短軸の方向と90°異なることに留意されたい。かかる形状は,自由強磁性層10に,x軸方向の形状磁気異方性を与える。自由強磁性層10の組成は,自由強磁性層10の磁歪定数λが負になるように選ばれている。自由強磁性層10がNiFe1−xで形成される場合,xを0.82よりも大きい値に制御することによって磁歪定数λを負にすることが可能である。 FIG. 34 shows another MRAM structure that realizes control of stress-induced magnetic anisotropy. The lower wiring 2 extends in the y-axis direction, and the upper wiring 3 extends in the x-axis direction. The magnetoresistive element 4 is formed such that the long axis of the free ferromagnetic layer 10 is in the x-axis direction and the short axis is in the y-axis direction. In the structure shown in FIG. 34, the major axis and minor axis directions of the free ferromagnetic layer 10 are 90 ° different from the major axis and minor axis directions of the free ferromagnetic layer 10 shown in FIG. Please note that. Such a shape gives the free ferromagnetic layer 10 shape magnetic anisotropy in the x-axis direction. The composition of the free ferromagnetic layer 10 is selected so that the magnetostriction constant λ of the free ferromagnetic layer 10 is negative. When the free ferromagnetic layer 10 is made of Ni x Fe 1-x , the magnetostriction constant λ can be made negative by controlling x to a value larger than 0.82.

図34の構造は,図31,32に示されている構造と同様に,応力誘起磁気異方性(K2)の磁化容易軸の方向と形状磁気異方性(K3)の磁化容易軸の方向とを一致させ,これにより,自由強磁性層10の特性の安定化を可能にする。既述のように,y軸方向に延伸する下部配線2は,x軸方向(即ち,自由強磁性層10の短軸の方向)に引っ張り応力を,y軸方向(即ち,自由強磁性層10の長軸の方向)に圧縮応力を誘起させる。自由強磁性層10の磁歪定数λが負であるため,下部配線2が生成するx軸方向の圧縮応力,及びy軸方向の引っ張り応力は,応力誘起磁気異方性をx軸方向に発生させ,自由強磁性層10の応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性との磁化容易軸の方向を一致させる。   The structure of FIG. 34 is the same as the structure shown in FIGS. 31 and 32, the direction of the easy axis of stress-induced magnetic anisotropy (K2) and the direction of the easy axis of shape magnetic anisotropy (K3). Thus, the characteristics of the free ferromagnetic layer 10 can be stabilized. As described above, the lower wiring 2 extending in the y-axis direction applies tensile stress in the x-axis direction (that is, the short axis direction of the free ferromagnetic layer 10) and y-axis direction (that is, the free ferromagnetic layer 10). Compressive stress is induced in the major axis direction). Since the magnetostriction constant λ of the free ferromagnetic layer 10 is negative, the compressive stress in the x-axis direction and the tensile stress in the y-axis direction generated by the lower wiring 2 cause stress-induced magnetic anisotropy in the x-axis direction. The directions of easy axes of the stress-induced magnetic anisotropy and the shape magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer 10 are matched.

応力誘起磁気異方性と形状磁気異方性の磁化容易軸の方向が一致するようにMRAMが形成される場合,図35に示されているように,自由強磁性層10は,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きくなるように形成されることが好適である。かかる特性の実現は,自由強磁性層10のアスペクト比(即ち,短軸に対する長軸の比)を1に近づけ,もって,磁気抵抗素子4の面積を小さくすることを可能にする。自由強磁性層10のアスペクト比を1に近づけることは,一般には,自由強磁性層10の磁気異方性の一軸性を弱め,自由強磁性層10に環流磁区を形成する原因となり得る。環流磁区の形成は,自由強磁性層10の磁界−磁化曲線の角型比を劣化させ,保磁力のばらつきを増大させる。しかし,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きくなるように自由強磁性層10を形成することにより,自由強磁性層10の一軸性が増大され,アスペクト比が小さいことによる一軸性の減少が補償される。ゆえに,形状磁気異方性よりも大きな応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層10のアスペクト比を1に近づけることを可能にする。典型的には,応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,アスペクト比が1.0以上2.0以下の自由強磁性層10,特に,アスペクト比が1.25以上2.0以下の自由強磁性層10に適用されることが好適である。形状磁気異方性よりも大きい応力誘起磁気異方性は,自由強磁性層10の組成の適切な選択を通じて,磁歪定数λを所望値に制御することにより実現可能である。酸化物層14(又は窒化物,酸窒化物)の挿入は,自由強磁性層10の組成を適切に制御することを可能にする点で重要である。   When the MRAM is formed so that the directions of the easy axes of stress-induced magnetic anisotropy and shape magnetic anisotropy coincide with each other, as shown in FIG. It is preferable that the anisotropy is formed to be larger than the shape magnetic anisotropy. Realization of such characteristics makes it possible to reduce the area of the magnetoresistive element 4 by making the aspect ratio of the free ferromagnetic layer 10 (that is, the ratio of the long axis to the short axis) close to 1. Generally, bringing the aspect ratio of the free ferromagnetic layer 10 close to 1 can weaken the uniaxial magnetic anisotropy of the free ferromagnetic layer 10 and cause the free ferromagnetic layer 10 to form a circulating magnetic domain. The formation of the reflux magnetic domain degrades the squareness ratio of the magnetic field-magnetization curve of the free ferromagnetic layer 10 and increases the coercivity variation. However, by forming the free ferromagnetic layer 10 so that the stress-induced magnetic anisotropy is larger than the shape magnetic anisotropy, the uniaxiality of the free ferromagnetic layer 10 is increased and the uniaxial due to the small aspect ratio. The decrease in sex is compensated. Therefore, the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy enables the aspect ratio of the free ferromagnetic layer 10 to approach 1. Typically, a technique for making the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy is a free ferromagnetic layer 10 having an aspect ratio of 1.0 to 2.0, particularly an aspect ratio of 1.25. It is suitable to apply to the free ferromagnetic layer 10 of 2.0 or less. A stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy can be realized by controlling the magnetostriction constant λ to a desired value through appropriate selection of the composition of the free ferromagnetic layer 10. The insertion of the oxide layer 14 (or nitride, oxynitride) is important in that it makes it possible to appropriately control the composition of the free ferromagnetic layer 10.

応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,MRAMの製造工程で不可避的に生じる形状のばらつきに強い磁気抵抗素子4の作成を可能にする点でも好適である。形状磁気異方性を基礎とする従来の磁気抵抗素子は,素子の加工(露光やエッチング)で生じる形状ばらつきの影響を受けやすく,保磁力のばらつきが大きい。応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくする技術は,不可避的な形状ばらつきの影響を減少させ,保磁力のばらつきを有効に抑制する。   The technique for making the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy is also preferable in that the magnetoresistive element 4 that is resistant to the shape variation inevitably generated in the manufacturing process of the MRAM can be produced. Conventional magnetoresistive elements based on shape magnetic anisotropy are susceptible to shape variations caused by device processing (exposure and etching), and have large variations in coercive force. The technology to make the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy reduces the influence of the inevitable shape variation and effectively suppresses the variation in coercive force.

相互拡散の防止の観点からは,図2に示されているように,酸化物層13の代わりに,充分に厚い下部コンタクト層12’が,磁気抵抗素子4とビア11との間に介設されることが可能である。この場合,シード層5は必要とされない。同様に,図3に示されているように,酸化物層14の代わりに,充分に厚い上部コンタクト層15’が,自由強磁性層10と上部配線3との間に介設されることが可能である。下部コンタクト層12’及び上部コンタクト層15’は,典型的には,TiN,Ta,Ru,W,Zr,及びMoで形成される。下部コンタクト層12’及び上部コンタクト層15’の厚さが充分に厚いことにより,下部配線2及び上部配線3を構成するAl,Cuが磁気抵抗素子4に拡散し,磁気抵抗素子4の反強磁性層7に含まれるMn,バッファ層6及び自由強磁性層10に含まれるNiが下部配線2及び上部配線3に拡散することを防止可能である。   From the viewpoint of preventing interdiffusion, a sufficiently thick lower contact layer 12 ′ is interposed between the magnetoresistive element 4 and the via 11 in place of the oxide layer 13 as shown in FIG. Can be done. In this case, the seed layer 5 is not required. Similarly, as shown in FIG. 3, a sufficiently thick upper contact layer 15 ′ may be interposed between the free ferromagnetic layer 10 and the upper wiring 3 instead of the oxide layer 14. Is possible. The lower contact layer 12 'and the upper contact layer 15' are typically formed of TiN, Ta, Ru, W, Zr, and Mo. Since the lower contact layer 12 ′ and the upper contact layer 15 ′ are sufficiently thick, Al and Cu constituting the lower wiring 2 and the upper wiring 3 are diffused into the magnetoresistive element 4. It is possible to prevent Mn contained in the magnetic layer 7 and Ni contained in the buffer layer 6 and the free ferromagnetic layer 10 from diffusing into the lower wiring 2 and the upper wiring 3.

しかし,図1に示されているように,酸化物層13と酸化物層14との両方が使用されることが好適である。相互拡散防止効果が大きい酸化物で形成された酸化物層13及び酸化物層14は,極めて薄い膜厚にすることが可能である。酸化物層13及び酸化物層14が薄いことは,下部配線2と上部配線3とを自由強磁性層10に接近して配置することを可能にする。下部配線2と上部配線3とが自由強磁性層10に接近して配置されていることは,自由強磁性層10の自発磁化を反転するために必要な電流の大きさ(即ち,書き込み動作に必要な電流の大きさ)を抑制するため好適である。   However, it is preferred that both oxide layer 13 and oxide layer 14 be used, as shown in FIG. The oxide layer 13 and the oxide layer 14 formed of an oxide having a large effect of preventing mutual diffusion can be made extremely thin. The thin oxide layer 13 and oxide layer 14 make it possible to dispose the lower wiring 2 and the upper wiring 3 close to the free ferromagnetic layer 10. The fact that the lower wiring 2 and the upper wiring 3 are arranged close to the free ferromagnetic layer 10 means that the magnitude of the current necessary for reversing the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer 10 (ie, for the write operation). This is preferable in order to suppress the required current magnitude).

更に,図2の厚い下部コンタクト層12’を有する構造は,下部配線2,及びビア11と磁気抵抗素子4との間の相互拡散を防止する一方で,下部コンタクト層12’と磁気抵抗素子4との間の相互拡散は防止できない。同様に,図3の厚い上部コンタクト層15’を有する構造は,上部配線2及び磁気抵抗素子4との間の相互拡散を防止する一方で,上部コンタクト層15’と磁気抵抗素子4との間の相互拡散は防止できない。このため,酸化物層13の使用は,厚い下部コンタクト層12’の使用よりも好適であり,酸化物層14の使用は,厚い上部コンタクト層15’の使用よりも好適である。   Further, the structure having the thick lower contact layer 12 ′ in FIG. 2 prevents the lower wiring 2 and the mutual diffusion between the via 11 and the magnetoresistive element 4, while the lower contact layer 12 ′ and the magnetoresistive element 4 are prevented. Mutual diffusion between the two cannot be prevented. Similarly, the structure having the thick upper contact layer 15 ′ of FIG. 3 prevents mutual diffusion between the upper wiring 2 and the magnetoresistive element 4, while preventing the interdiffusion between the upper contact layer 15 ′ and the magnetoresistive element 4. Mutual diffusion cannot be prevented. For this reason, the use of the oxide layer 13 is preferable to the use of the thick lower contact layer 12 ′, and the use of the oxide layer 14 is preferable to the use of the thick upper contact layer 15 ′.

下部配線2を,より自由強磁性層10に接近して配置するためには,図4に示されているように,酸化物層13とシード層5とバッファ層6と反強磁性層7とが,下部配線2の上面を実質的に完全に被覆するように形成されていることが好適である。このような構造は,シード層5とバッファ層6と反強磁性層7とを,自由強磁性層10の自発磁化を反転させる書き込み電流を流す配線の一部にすることを可能にし,該書き込み電流が流される配線を,自由強磁性層10に一層に接近させることが可能である。   In order to dispose the lower wiring 2 closer to the free ferromagnetic layer 10, as shown in FIG. 4, the oxide layer 13, the seed layer 5, the buffer layer 6, the antiferromagnetic layer 7, However, it is preferable that the upper surface of the lower wiring 2 is formed to be substantially completely covered. Such a structure makes it possible to make the seed layer 5, the buffer layer 6, and the antiferromagnetic layer 7 a part of the wiring through which a write current for reversing the spontaneous magnetization of the free ferromagnetic layer 10 flows. It is possible to bring the wiring through which the current flows closer to the free ferromagnetic layer 10.

従来の技術に記述されているように,反強磁性層7に含まれるMnがトンネル絶縁層9に拡散することは,磁気トンネル接合のMR比を劣化する点で好ましくない。反強磁性層7に含まれるMnのトンネル絶縁層9への拡散を防止するためには,固定強磁性層8は,複合磁性層8aと金属強磁性層8bとで形成されていることが好適である。複合磁性層8aは,反強磁性層7の上に形成され,後述されるように,反強磁性層7のMnがトンネル絶縁層9に拡散することを防止する。金属強磁性層8bは,スピン分極率が高く,熱的に安定で拡散しずらいCoを主成分とする金属強磁性合金を用いることが望ましい。Coを主成分とする金属強磁性合金で形成されることにより,金属強磁性層8bは,磁気的にハードになる。「Coを主成分とする」とは,金属強磁性合金を構成する構成の中で,最も原子パーセントが高いものがCoであることを意味している。   As described in the prior art, it is not preferable that Mn contained in the antiferromagnetic layer 7 diffuses into the tunnel insulating layer 9 in terms of degrading the MR ratio of the magnetic tunnel junction. In order to prevent Mn contained in the antiferromagnetic layer 7 from diffusing into the tunnel insulating layer 9, the fixed ferromagnetic layer 8 is preferably formed of a composite magnetic layer 8a and a metal ferromagnetic layer 8b. It is. The composite magnetic layer 8 a is formed on the antiferromagnetic layer 7 and prevents Mn of the antiferromagnetic layer 7 from diffusing into the tunnel insulating layer 9 as will be described later. For the metal ferromagnetic layer 8b, it is desirable to use a metal ferromagnetic alloy whose main component is Co, which has a high spin polarizability and is thermally stable and difficult to diffuse. By being formed of a metal ferromagnetic alloy containing Co as a main component, the metal ferromagnetic layer 8b becomes magnetically hard. “Co as a main component” means that the constituent having the highest atomic percentage among the constituents of the metal ferromagnetic alloy is Co.

複合磁性層8aは,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,該金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として混合された複合体薄膜で形成されている。このような複合磁性層8aは,金属的な導電性と強磁性とを保持しつつ,Mnの拡散を防止することができる構造を有している。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としては,典型的にはCoFeが例示され,酸化物としては,TaO,HfO,NbO,ZrO,CeO,AlO,MgO,SiO及びTiOが例示される。これらの非磁性元素は,強磁性元素Fe,Co,Niに比べて酸化物生成自由エネルギーが低く,酸化されやすい。複合磁性層8aに使用される強磁性材料としては,Co,及びCoを主成分とする金属強磁性合金が使用されることが望ましい。Co,及びCoを主成分とする金属強磁性合金は,スピン分極率が高く,酸化されにくく,且つ,熱的に安定で拡散しずらい。 The composite magnetic layer 8a is composed of a non-oxidized metal ferromagnet as a main component, which is more easily bonded to oxygen than the metal ferromagnet, and is mixed with an oxide of a nonmagnetic element as a subcomponent. It is formed of a thin film. Such a composite magnetic layer 8a has a structure capable of preventing Mn diffusion while maintaining metallic conductivity and ferromagnetism. Typically, CoFe is exemplified as the metal ferromagnet composing the composite magnetic layer 8a, and TaO x , HfO x , NbO x , ZrO x , CeO x , AlO x , MgO x , SiO are exemplified as oxides. x and TiO x are exemplified. These nonmagnetic elements have a lower oxide formation free energy than the ferromagnetic elements Fe, Co, and Ni, and are easily oxidized. As the ferromagnetic material used for the composite magnetic layer 8a, it is desirable to use Co and a metal ferromagnetic alloy containing Co as a main component. Co and metallic ferromagnetic alloys containing Co as a main component have high spin polarizability, are not easily oxidized, and are thermally stable and difficult to diffuse.

複合磁性層8aが酸化されていない金属強磁性体を主成分とすることは,複合磁性層8aが導電性と強磁性とを発現する上で重要である。複合磁性層8aが金属的な導電性を有することは,読み出し動作のSN比を向上させる。複合磁性層8aが強磁性を有することは,反強磁性層7の交換相互作用を金属強磁性層8bに到達させ,複合磁性層8aと金属強磁性層8bとの両方を固定強磁性層として機能させる役割を果たす。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体の酸化を防止するために,複合磁性層8aを構成する酸化物としては,該金属強磁性体よりも酸化されやすい非磁性元素の酸化物が使用される。   It is important that the composite magnetic layer 8a has a metal ferromagnet which is not oxidized as a main component in order for the composite magnetic layer 8a to exhibit conductivity and ferromagnetism. The composite magnetic layer 8a having metallic conductivity improves the SN ratio of the read operation. The fact that the composite magnetic layer 8a has ferromagnetism causes the exchange interaction of the antiferromagnetic layer 7 to reach the metal ferromagnetic layer 8b, so that both the composite magnetic layer 8a and the metal ferromagnetic layer 8b are fixed ferromagnetic layers. Play a role to function. In order to prevent oxidation of the metal ferromagnet constituting the composite magnetic layer 8a, an oxide of a nonmagnetic element that is more easily oxidized than the metal ferromagnet is used as the oxide constituting the composite magnetic layer 8a. The

複合磁性層8aは,金属強磁性体を構成する元素の原子半径と,酸化物を構成する非磁性元素の原子半径とに応じて,図6(a),(b)のいずれかの構造をとる。金属強磁性体を構成する元素の原子半径よりも酸化物を構成する非磁性元素の原子半径の方が大きい場合,図6(a)に示されているように,複合磁性層8aは,金属強磁性体の柱状単結晶31と,金属強磁性体と非磁性元素の酸化物との混合物のアモルファス相32とで構成される。複合磁性層8aがこのような構造をとるのは,原子半径が大きい非磁性元素により,金属強磁性体の結晶化が阻害されることによると考えられる。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としてCoFeが使用されるときには,複合磁性層8aに含まれる酸化物としてTaO,HfO,NbO,ZrO,及びCeOが使用される場合に図6(a)に示されているような構造をとる。 The composite magnetic layer 8a has one of the structures shown in FIGS. 6A and 6B according to the atomic radius of the element constituting the metal ferromagnet and the atomic radius of the nonmagnetic element constituting the oxide. Take. When the atomic radius of the nonmagnetic element constituting the oxide is larger than the atomic radius of the element constituting the metal ferromagnet, the composite magnetic layer 8a has a metal structure as shown in FIG. It consists of a columnar single crystal 31 of a ferromagnetic material and an amorphous phase 32 of a mixture of a metal ferromagnetic material and an oxide of a nonmagnetic element. The reason why the composite magnetic layer 8a has such a structure is considered to be that crystallization of the metal ferromagnet is inhibited by a nonmagnetic element having a large atomic radius. When the CoFe is used as the metal ferromagnetic substance of the composite magnetic layer 8a are, TaO x as an oxide contained in the composite magnetic layer 8a, HfO x, NbO x, if the ZrO x, and CeO x is used A structure as shown in FIG.

金属強磁性体を構成する元素の原子半径よりも酸化物を構成する非磁性元素の原子半径の方が小さい場合,図6(b)に示されているように,複合磁性層8aは,金属強磁性体の粒状単結晶33と,粒状単結晶33の粒界に酸化物が析出して形成された非晶質酸化物34とで構成される。このような構造を有する材料は,グラニュラー合金と呼ばれることがある。但し,粒状単結晶33は,完全に孤立しておらず,粒状単結晶33の一部は,直接隣接する粒状単結晶33に接触しているか,非磁性酸化物34に存在するピンホールなどを介して隣接する粒状単結晶33に接触している。このような構造では,粒状単結晶33同士は磁気的に結合しているため,複合磁性層8aはソフト強磁性を示し,且つ,金属的な導電性を示す。複合磁性層8aを構成する金属強磁性体としてCoFeが使用されるときには,複合磁性層8aは,酸化物としてAlO,MgO,SiO,及びTiOが使用される場合に図6(b)に示されているような構造をとる。 When the atomic radius of the nonmagnetic element constituting the oxide is smaller than the atomic radius of the element constituting the metal ferromagnet, the composite magnetic layer 8a is made of metal as shown in FIG. It consists of a ferromagnetic granular single crystal 33 and an amorphous oxide 34 formed by depositing an oxide at the grain boundary of the granular single crystal 33. A material having such a structure is sometimes called a granular alloy. However, the granular single crystal 33 is not completely isolated, and a part of the granular single crystal 33 is in direct contact with the adjacent granular single crystal 33 or pinholes existing in the nonmagnetic oxide 34. It is in contact with the adjacent granular single crystal 33. In such a structure, since the granular single crystals 33 are magnetically coupled to each other, the composite magnetic layer 8a exhibits soft ferromagnetism and metallic conductivity. When CoFe is used as the metal ferromagnet constituting the composite magnetic layer 8a, the composite magnetic layer 8a is formed when AlO x , MgO x , SiO x , and TiO x are used as oxides as shown in FIG. ).

図6(a),(b)のいずれの構造をとる場合にも,複合磁性層8aは,その内部に含まれる非磁性酸化物の緻密性によって拡散を防止する構造を有している。更に,酸化物を含んで構成される複合磁性層8aは,酸素に対して結合しやすいMnをトラップする作用を有している。即ち,酸化物を含んで構成されている複合磁性層8aにMnが拡散すると,拡散したMnは,酸素と結合して安定化されて複合磁性層8aに固定される。更に,複合磁性層8aは,通常の金属強磁性層が有するような結晶粒界をほとんど持たず,高速拡散経路が低減されているため,拡散防止性が高い。これらの作用により,複合磁性層8aは,固定強磁性層内での磁気的及び電気的な結合を分断することなく,Mnのトンネル絶縁層9への拡散を有効に防止できる性質を有する。このような特性は,従来の酸化物拡散防止層によっては得られない。   6A and 6B, the composite magnetic layer 8a has a structure that prevents diffusion due to the denseness of the nonmagnetic oxide contained therein. Furthermore, the composite magnetic layer 8a including an oxide has a function of trapping Mn that is easily bonded to oxygen. That is, when Mn diffuses into the composite magnetic layer 8a including the oxide, the diffused Mn is stabilized by being combined with oxygen and fixed to the composite magnetic layer 8a. Furthermore, the composite magnetic layer 8a has almost no crystal grain boundaries as those of a normal metal ferromagnetic layer and has a high diffusion preventing property because the high-speed diffusion path is reduced. By these actions, the composite magnetic layer 8a has a property that can effectively prevent the diffusion of Mn into the tunnel insulating layer 9 without breaking the magnetic and electrical coupling in the pinned ferromagnetic layer. Such characteristics cannot be obtained by a conventional oxide diffusion prevention layer.

複合磁性層8aは,酸素ガスを含むスパッタガスを用いた反応性スパッタによって形成可能である。スパッタガスとしては,典型的には,酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスが使用される。スパッタターゲットとしては,典型的には,金属強磁性体と,該金属強磁性体よりも酸化しやすい非磁性元素との合金で形成されたターゲットが使用される。この合金ターゲットを,酸素ガスを含むスパッタガスを用いてスパッタすると,酸素は,金属強磁性体に優先して非磁性金属に結合する。スパッタガスに含まれる酸素の量を適切に調整することにより,非磁性金属のみ酸化し,金属強磁性体を酸化せずに複合磁性層8aを形成可能である。   The composite magnetic layer 8a can be formed by reactive sputtering using a sputtering gas containing oxygen gas. Typically, a mixed gas of oxygen gas and argon gas is used as the sputtering gas. As the sputtering target, a target formed of an alloy of a metal ferromagnet and a nonmagnetic element that is more easily oxidized than the metal ferromagnet is typically used. When this alloy target is sputtered using a sputtering gas containing oxygen gas, oxygen is bonded to the nonmagnetic metal in preference to the metal ferromagnet. By appropriately adjusting the amount of oxygen contained in the sputtering gas, only the nonmagnetic metal can be oxidized, and the composite magnetic layer 8a can be formed without oxidizing the metal ferromagnet.

図7は,強磁性体であるCoFeと非磁性元素であるTaとで形成された(Co90Fe1085Ta15合金ターゲットを,酸素ガスを含むスパッタガスによってスパッタすることにより形成された薄膜の抵抗率を示すグラフであり,図8は,該薄膜の飽和磁化を示すグラフである。これらのグラフの横軸には,比[O]/[Ar]がプロットされている。ここで,[O]は,スパッタが行われるチャンバーに導入される酸素ガスの流量(sccm)であり,[Ar]は,アルゴンガスの流量(sccm)である。形成された薄膜は,図6(a)に示されている構造,即ち,組成式:(CoFe)Ta1−zで示される組成を有する酸化物アモルファス層が大部分を占め,一部にCoFe柱状結晶粒が形成された構造を有している。図7及び図8に示されているように,[O]/[Ar]が小さいときには,該薄膜は金属的な導電性を示し,且つ,飽和磁化が大きい。[O]/[Ar]が0.2を超えると,該薄膜の抵抗率は急激に増大し,飽和磁化は急激に減少する。 FIG. 7 shows a thin film formed by sputtering a (Co 90 Fe 10 ) 85 Ta 15 alloy target made of CoFe as a ferromagnetic material and Ta as a nonmagnetic element with a sputtering gas containing oxygen gas. FIG. 8 is a graph showing the saturation magnetization of the thin film. The ratio [O 2 ] / [Ar] is plotted on the horizontal axis of these graphs. Here, [O 2 ] is the flow rate (sccm) of oxygen gas introduced into the chamber where sputtering is performed, and [Ar] is the flow rate (sccm) of argon gas. The formed thin film, the structure shown in FIG. 6 (a), i.e., the composition formula: oxide amorphous layer having a composition represented by (CoFe) z Ta 1-z O x is the majority one It has a structure in which CoFe columnar crystal grains are formed in the part. As shown in FIGS. 7 and 8, when [O 2 ] / [Ar] is small, the thin film exhibits metallic conductivity and has a large saturation magnetization. When [O 2 ] / [Ar] exceeds 0.2, the resistivity of the thin film increases rapidly, and the saturation magnetization decreases rapidly.

これらのグラフは,該薄膜に含まれるCoFeを金属的な状態で存在させるためには,[O]/[Ar]が0.2よりも小さい必要があることを示している。この推論は,XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いた分析によって裏付けられている。図9は,[O]/[Ar]を0.13及び0.54として作成された該薄膜について,XPSによる分析を行うことによって得られるCo2pスペクトルを示している。図9のCo2pスペクトルは,[O]/[Ar]が0.13である場合には,該薄膜に含まれるCoはその7割以上が金属状態であり,[O]/[Ar]が0.54である場合には,該薄膜に含まれるCoは,酸化されていることを示している。 These graphs show that [O 2 ] / [Ar] needs to be smaller than 0.2 in order for CoFe contained in the thin film to exist in a metallic state. This reasoning is supported by analysis using XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy). FIG. 9 shows a Co 2p spectrum obtained by analyzing the thin film prepared with [O 2 ] / [Ar] of 0.13 and 0.54 by XPS. In the Co 2p spectrum of FIG. 9, when [O 2 ] / [Ar] is 0.13, 70% or more of Co contained in the thin film is in a metal state, and [O 2 ] / [Ar ] Of 0.54 indicates that Co contained in the thin film is oxidized.

金属強磁性体としてCoFeが使用され,且つ,非磁性金属の酸化物としてTaO,HfO,NbO,ZrO,AlO,MgO,及びSiOのいずれかが使用される場合,[O]/[Ar]が0.2よりも小さければ,CoFeを金属的な状態にして複合磁性膜8aを形成可能である。 When CoFe is used as the metal ferromagnet and any of TaO x , HfO x , NbO x , ZrO x , AlO x , MgO x , and SiO x is used as the nonmagnetic metal oxide, [ If O 2 ] / [Ar] is smaller than 0.2, the composite magnetic film 8a can be formed with CoFe in a metallic state.

上述の,酸化されていない金属強磁性体を主成分とし,該金属強磁性体よりも酸素と結合しやすく,且つ,非磁性の元素の酸化物を副成分として形成された複合体薄膜は,金属強磁性層の結晶構造がなくなり,強磁性結晶粒が小さくなり,強磁性結晶粒が小さくなり,或いは結晶磁気異方性が減少するため,比較的に磁気的にソフトである。この性質は,自由強磁性層10からNiを排除することに利用可能である。Niがトンネル絶縁層9の内部に拡散すると,磁気抵抗素子4のMR比が低下する。更に,Niが上部配線3に拡散すると,上部配線3の抵抗が増大する。Niの拡散の観点から,Niは,自由強磁性層10から排除されることが望ましい。   The composite thin film formed of the above-mentioned non-oxidized metal ferromagnet as a main component, which is easier to combine with oxygen than the metal ferromagnet and is formed by using a non-magnetic element oxide as a subcomponent, Since the metal ferromagnetic layer loses its crystal structure, the ferromagnetic crystal grains become smaller, the ferromagnetic crystal grains become smaller, or the magnetocrystalline anisotropy is reduced, so that it is relatively magnetically soft. This property can be used to eliminate Ni from the free ferromagnetic layer 10. When Ni diffuses into the tunnel insulating layer 9, the MR ratio of the magnetoresistive element 4 decreases. Further, when Ni diffuses into the upper wiring 3, the resistance of the upper wiring 3 increases. From the viewpoint of Ni diffusion, Ni is preferably excluded from the free ferromagnetic layer 10.

図10は,かかる複合体薄膜を使用して自由強磁性層10からNiを排除する構造を示している。自由強磁性層10は,スピン分極率が高く,且つ,熱的に安定で拡散しにくい材料で形成された金属強磁性層10aと,上述の複合体薄膜で形成された複合磁性層10bとで形成されている。金属強磁性層10aは,トンネル絶縁層9の上に形成され,複合磁性層10bは,金属強磁性層10aの上に形成されている。金属強磁性層10aは,Coを主成分とする強磁性合金が望ましく,典型的には,CoFeで形成される。複合磁性層10bは,Niを含まない強磁性体(典型的にはCoFe)と,非磁性の金属の酸化物とが混合された複合体薄膜で形成される。このような構造を有する自由強磁性層10は,高いスピン分極率と熱安定性とを有する材料で形成された金属強磁性層10aをトンネル絶縁層9に直接に接することにより,高いMR比を実現する。更に,磁気的にソフトな複合磁性層10bは,金属強磁性層10aに交換相互作用を及ぼして金属強磁性層10aをソフト化し,自由強磁性層10の全体をソフト化する。   FIG. 10 shows a structure in which Ni is excluded from the free ferromagnetic layer 10 using such a composite thin film. The free ferromagnetic layer 10 is composed of a metal ferromagnetic layer 10a made of a material having a high spin polarizability, thermally stable and difficult to diffuse, and a composite magnetic layer 10b made of the above-described composite thin film. Is formed. The metal ferromagnetic layer 10a is formed on the tunnel insulating layer 9, and the composite magnetic layer 10b is formed on the metal ferromagnetic layer 10a. The metal ferromagnetic layer 10a is preferably a ferromagnetic alloy containing Co as a main component, and is typically formed of CoFe. The composite magnetic layer 10b is formed of a composite thin film in which a ferromagnetic material not containing Ni (typically CoFe) and a nonmagnetic metal oxide are mixed. The free ferromagnetic layer 10 having such a structure has a high MR ratio by directly contacting the metal ferromagnetic layer 10a formed of a material having high spin polarizability and thermal stability with the tunnel insulating layer 9. Realize. Further, the magnetically soft composite magnetic layer 10b causes exchange interaction to the metal ferromagnetic layer 10a to soften the metal ferromagnetic layer 10a and soften the entire free ferromagnetic layer 10.

図10に示された構造を有する自由強磁性層10よりも,よりソフトな自由強磁性層を得るためには,図11に示されているように,Niを含む強磁性体,典型的には,NiFeで形成されたソフト強磁性層10cを複合磁性層10bの上に形成することが可能である。上述の複合体薄膜で形成された複合磁性層10bは,Niに対しても拡散を防止する効果を示す。したがって,ソフト強磁性層10cに含まれるNiのトンネル絶縁層9への拡散は,複合磁性層10bによって防止される。更に,ソフト強磁性層10cから上部配線3へのNiの拡散は,上述の酸化物層14によって防止される。図11に示されている構造は,MR比を高くしながら,Niのトンネル絶縁層9及び上部電極層3への拡散を防止できる点で好適である。   In order to obtain a softer free ferromagnetic layer than the free ferromagnetic layer 10 having the structure shown in FIG. 10, a ferromagnetic material containing Ni, typically as shown in FIG. The soft ferromagnetic layer 10c made of NiFe can be formed on the composite magnetic layer 10b. The composite magnetic layer 10b formed of the composite thin film described above has an effect of preventing diffusion even for Ni. Accordingly, diffusion of Ni contained in the soft ferromagnetic layer 10c into the tunnel insulating layer 9 is prevented by the composite magnetic layer 10b. Furthermore, the diffusion of Ni from the soft ferromagnetic layer 10 c to the upper wiring 3 is prevented by the oxide layer 14 described above. The structure shown in FIG. 11 is preferable in that diffusion of Ni to the tunnel insulating layer 9 and the upper electrode layer 3 can be prevented while increasing the MR ratio.

図10又は図11に示された磁気抵抗素子4は,自由強磁性層10に複合磁性層10bが付加されるために,自由強磁性層10全体の飽和磁化が大きくなり,反磁場が増大する問題を有している。反磁場を減少させる方法として,図12に示されているように,自由強磁性層10を,金属強磁性層10d,複合磁性層10e,非磁性層10f,複合磁性層10g,及びソフト強磁性層10hで形成することが好適である。金属強磁性層10dは,CoFeのように,高いスピン分極率を有する強磁性体で形成される。複合磁性層10e,10gは,上述の複合体薄膜で形成され,ソフトな強磁性を示す。ソフト強磁性層10hは,Niを含む強磁性体,典型的には,NiFeで形成される。非磁性層10fは,複合磁性層10eと複合磁性層10gを,反強磁性的に強く結合させる性質を有する材料,典型的にはCu,Cr,Rh,Ru,RuOで形成される。 In the magnetoresistive element 4 shown in FIG. 10 or FIG. 11, since the composite magnetic layer 10b is added to the free ferromagnetic layer 10, the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer 10 as a whole increases and the demagnetizing field increases. Have a problem. As a method of reducing the demagnetizing field, as shown in FIG. 12, the free ferromagnetic layer 10 is made of a metal ferromagnetic layer 10d, a composite magnetic layer 10e, a nonmagnetic layer 10f, a composite magnetic layer 10g, and a soft ferromagnetic layer. It is preferable to form the layer 10h. The metallic ferromagnetic layer 10d is formed of a ferromagnetic material having a high spin polarizability, such as CoFe. The composite magnetic layers 10e and 10g are formed of the composite thin film described above and exhibit soft ferromagnetism. The soft ferromagnetic layer 10h is formed of a ferromagnetic material including Ni, typically NiFe. The nonmagnetic layer 10f is formed of a material having a property of strongly coupling the composite magnetic layer 10e and the composite magnetic layer 10g antiferromagnetically, typically Cu, Cr, Rh, Ru, RuO x .

非磁性層10fの作用により,金属強磁性層10d及び複合磁性層10eが有する自発磁化と,複合磁性層10g及びソフト強磁性層10hが有する自発磁化とは,反強磁性的に結合され,反平行になる。米国特許公報第5,408,377号に開示されているように,自由強磁性層4を,2つの強磁性層と,該強磁性層の間に挟まれ,該強磁性層を反強磁性的に結合する非磁性層とで構成することにより,自由強磁性層の実効的な飽和磁場,ひいては,反磁場を減少させることができる。反磁場が低減されることで,自由強磁性層4の反転磁場(保磁力)が低減される。したがって,図12に示された構造は,MR比を高くし,Niのトンネル絶縁層9及び上部電極層3への拡散を防止し,更に,自由強磁性層10をソフトにすることが可能である。   Due to the action of the nonmagnetic layer 10f, the spontaneous magnetization possessed by the metal ferromagnetic layer 10d and the composite magnetic layer 10e and the spontaneous magnetization possessed by the composite magnetic layer 10g and the soft ferromagnetic layer 10h are antiferromagnetically coupled. Become parallel. As disclosed in US Pat. No. 5,408,377, a free ferromagnetic layer 4 is sandwiched between two ferromagnetic layers and the ferromagnetic layer, and the ferromagnetic layer is antiferromagnetic. By configuring with a non-magnetic layer that is physically coupled, it is possible to reduce the effective saturation magnetic field and thus the demagnetizing field of the free ferromagnetic layer. By reducing the demagnetizing field, the reversal magnetic field (coercivity) of the free ferromagnetic layer 4 is reduced. Therefore, the structure shown in FIG. 12 can increase the MR ratio, prevent Ni from diffusing into the tunnel insulating layer 9 and the upper electrode layer 3, and further soften the free ferromagnetic layer 10. is there.

図12の構造において,充分にソフトな自由強磁性層10が得られる場合には,ソフト強磁性層10hは設けられないことも可能である。ソフト強磁性層10hを排除することにより,Niを自由強磁性層10から排除し,Niの拡散による悪影響を根本的に回避することができる。   In the structure of FIG. 12, if a sufficiently soft free ferromagnetic layer 10 is obtained, the soft ferromagnetic layer 10h may not be provided. By excluding the soft ferromagnetic layer 10h, Ni can be excluded from the free ferromagnetic layer 10 and the adverse effects of Ni diffusion can be fundamentally avoided.

更に,図12の構造において,自由強磁性層10の内部における反強磁性的な結合を強固にするためには,図13に示されているように,非磁性層10fの両側の界面に,金属強磁性層10iを設けることが好適である。金属強磁性層10iとして,Coを主成分とし,且つ,Niを含まない強磁性合金を用いることにより,強固な反強磁性的結合が得られる。金属強磁性層10iを設けることが好適である。金属強磁性層10iは,Co,又はCo90Fe10で形成されることが好適である。 Furthermore, in the structure of FIG. 12, in order to strengthen the antiferromagnetic coupling inside the free ferromagnetic layer 10, as shown in FIG. 13, at the interfaces on both sides of the nonmagnetic layer 10f, It is preferable to provide the metal ferromagnetic layer 10i. By using a ferromagnetic alloy containing Co as a main component and not containing Ni as the metal ferromagnetic layer 10i, a strong antiferromagnetic coupling can be obtained. It is preferable to provide the metal ferromagnetic layer 10i. The metal ferromagnetic layer 10 i is preferably formed of Co or Co 90 Fe 10 .

磁気抵抗素子の特性を良好にするためには,図14に示されているように,自由強磁性層10に適切なバイアス磁場を印加する磁気バイアス層20が設けられることがある。適切なバイアス磁場の印加は,自由強磁性層10のヒステリシス曲線の磁場印加方向に対する非対称性を解消する。   In order to improve the characteristics of the magnetoresistive element, a magnetic bias layer 20 for applying an appropriate bias magnetic field to the free ferromagnetic layer 10 may be provided as shown in FIG. Application of an appropriate bias magnetic field eliminates asymmetry of the hysteresis curve of the free ferromagnetic layer 10 with respect to the magnetic field application direction.

磁気バイアス層20は,保護層16と,強磁性体で形成される強磁性層17と,反強磁性体で形成される反強磁性層18と,保護層19とで構成される。保護層16,19は,典型的には,Ta,Zrで形成される。強磁性層17は,典型的には,CoFeで形成される。反強磁性層18は,Mnを含む反強磁性体,典型的には,PtMn,IrMnで形成される。強磁性層17と反強磁性層18との位置は交換可能である。   The magnetic bias layer 20 includes a protective layer 16, a ferromagnetic layer 17 formed of a ferromagnetic material, an antiferromagnetic layer 18 formed of an antiferromagnetic material, and a protective layer 19. The protective layers 16 and 19 are typically made of Ta and Zr. The ferromagnetic layer 17 is typically made of CoFe. The antiferromagnetic layer 18 is formed of an antiferromagnetic material containing Mn, typically PtMn or IrMn. The positions of the ferromagnetic layer 17 and the antiferromagnetic layer 18 are interchangeable.

反強磁性層18は,反強磁性体7と同様に,Mnの拡散の問題を引き起こす。Mnの拡散の問題を防止するために,磁気抵抗素子に磁気バイアス層20が設けられる場合には,磁気バイアス層20は,酸化物層14の上に形成され,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられる。酸化物層14は,Mnのトンネル絶縁層9への拡散を防止し,酸化物層21は,Mnの上部配線3への拡散を防止する。   The antiferromagnetic layer 18 causes the problem of Mn diffusion, like the antiferromagnetic material 7. In order to prevent the problem of Mn diffusion, when the magnetic bias layer 20 is provided in the magnetoresistive element, the magnetic bias layer 20 is formed on the oxide layer 14, and the magnetic bias layer 20 and the upper contact layer are formed. 15, an oxide layer 21 is provided. The oxide layer 14 prevents Mn from diffusing into the tunnel insulating layer 9, and the oxide layer 21 prevents Mn from diffusing into the upper wiring 3.

酸化物層21に求められる物性は,酸化物層13と同様であり,酸化物層13に好適な材料及び構造は,酸化物層21にも好適である。第1に,酸化物層21の構造を緻密化し,高温まで熱的安定性を保ち,且つ,相互拡散の抑制効果を増大するためには,酸化物層21は,Al,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物で形成することが好適である。更に,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上するためには,酸化物層21の厚さ方向の抵抗は,トンネル絶縁層9の厚さ方向の抵抗より小さいことが好適である。更に,酸化物層21の厚さが1nm以下であることは,酸化物層14の抵抗を極度に小さくし,トンネル絶縁層9の抵抗の検出のSN比を向上する点から好適である。更に,トンネル絶縁層9と酸化物層21とを同一の材料で形成することは,トンネル絶縁層9と酸化物層21とを共通の装置及び材料で形成でき,MRAMの製造に要するコストを低減できる点で好適である。   The physical properties required for the oxide layer 21 are the same as those of the oxide layer 13, and materials and structures suitable for the oxide layer 13 are also suitable for the oxide layer 21. First, in order to refine the structure of the oxide layer 21, maintain thermal stability up to a high temperature, and increase the effect of suppressing interdiffusion, the oxide layer 21 is made of Al, Mg, Si, Hf. , Li, Ca, and Ti are preferable. Furthermore, in order to improve the S / N ratio for detecting the resistance of the tunnel insulating layer 9, the resistance in the thickness direction of the oxide layer 21 is preferably smaller than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer 9. Furthermore, it is preferable that the thickness of the oxide layer 21 is 1 nm or less from the viewpoint of extremely reducing the resistance of the oxide layer 14 and improving the SN ratio of detection of the resistance of the tunnel insulating layer 9. Furthermore, forming the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 21 with the same material allows the tunnel insulating layer 9 and the oxide layer 21 to be formed with a common device and material, thereby reducing the cost required for manufacturing the MRAM. It is preferable in that it can be performed.

酸化物層21は,その下面(基板1の側の面)及び上面に接する層(即ち,下部コンタクト層12及びシード層5)を構成する材料よりも,酸素と結合する力が大きい材料の酸化物を用いることが好適である。そうでない材料の酸化物を酸化物層21に使用することは,酸化物層21の下面及び上面に接する層に酸素が拡散し,酸化物層21の拡散防止効果を失わせるため好適でない。上部コンタクト層15にTa,保護層19にTa,又はCrを使用する場合には,それらより酸化物生成自由エネルギーが低いAl,Mg,Si,Hf,Li,Ca,及びTiの酸化物を酸化物層21として使用することが好適である。   The oxide layer 21 is formed by oxidation of a material having a higher ability to bond with oxygen than the material constituting the lower surface (the surface on the substrate 1 side) and the layer in contact with the upper surface (that is, the lower contact layer 12 and the seed layer 5). It is preferable to use a product. The use of an oxide of a material other than that for the oxide layer 21 is not preferable because oxygen diffuses in the layers in contact with the lower surface and the upper surface of the oxide layer 21 and the diffusion preventing effect of the oxide layer 21 is lost. When Ta is used for the upper contact layer 15 and Ta or Cr is used for the protective layer 19, oxides of Al, Mg, Si, Hf, Li, Ca, and Ti, which have lower free energy for oxide formation than those, are oxidized. It is preferable to use it as the physical layer 21.

図2の下部コンタクト層12’の構造,図3の上部コンタクト層15’の構造,図5の固定強磁性層8の構造,図10から図13の自由強磁性層10の構造,及び図14の磁気バイアス層20の構造は,組み合わされて使用され得る。たとえば,図15に示されている構造が採用され得る。図15のMRAMでは,固定強磁性層8が複合磁性層8aと強磁性層8bとで形成される。更に,自由強磁性層10が,金属強磁性層10aと複合強磁性層10bとソフト強磁性層10cとで形成される。更に,酸化物層14の上に磁気バイアス層20が設けられ,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられている。   The structure of the lower contact layer 12 ′ in FIG. 2, the structure of the upper contact layer 15 ′ in FIG. 3, the structure of the fixed ferromagnetic layer 8 in FIG. 5, the structure of the free ferromagnetic layer 10 in FIGS. The structure of the magnetic bias layer 20 can be used in combination. For example, the structure shown in FIG. 15 can be adopted. In the MRAM of FIG. 15, the fixed ferromagnetic layer 8 is formed of a composite magnetic layer 8a and a ferromagnetic layer 8b. Furthermore, the free ferromagnetic layer 10 is formed of a metal ferromagnetic layer 10a, a composite ferromagnetic layer 10b, and a soft ferromagnetic layer 10c. Further, a magnetic bias layer 20 is provided on the oxide layer 14, and an oxide layer 21 is provided between the magnetic bias layer 20 and the upper contact layer 15.

図16は,磁気抵抗素子の,より現実的な構造を示している。上部コンタクト層15と上部配線3とは,ビア22で接続されている。ビア22は,典型的には,Al,Cu,W,及びTiNで形成される。更に,図16の磁気抵抗素子では,トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしないような位置に設けられる。このようなトンネル絶縁層9の配置は,トンネル絶縁層9の欠陥を減少できる点で好ましい。金属で形成されるビア11は,その表面に凹凸が発生することは回避しがたい。図1に示されているように,凹凸を有するビア11の上方にトンネル絶縁層9が位置すると,トンネル絶縁層9にも凹凸が発生し,トンネル絶縁層9に欠陥が発生しやすい。図16に示されているように,トンネル絶縁層9が,ビア11とオーバーラップしない配置は,トンネル絶縁層9の欠陥を減少できる。   FIG. 16 shows a more realistic structure of the magnetoresistive element. The upper contact layer 15 and the upper wiring 3 are connected by a via 22. The via 22 is typically formed of Al, Cu, W, and TiN. Further, in the magnetoresistive element of FIG. 16, the tunnel insulating layer 9 is provided at a position where it does not overlap with the via 11 in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 1. Such an arrangement of the tunnel insulating layer 9 is preferable in that defects of the tunnel insulating layer 9 can be reduced. It is difficult to avoid the formation of irregularities on the surface of the via 11 made of metal. As shown in FIG. 1, when the tunnel insulating layer 9 is located above the uneven via 11, the tunnel insulating layer 9 is also uneven, and defects are likely to occur in the tunnel insulating layer 9. As shown in FIG. 16, the arrangement in which the tunnel insulating layer 9 does not overlap the via 11 can reduce defects in the tunnel insulating layer 9.

トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしない配置が採用される場合にも,図2の下部コンタクト層12’の構造,図3の上部コンタクト層15’の構造,図5の固定強磁性層8の構造,図10から図13の自由強磁性層10の構造,及び図14の磁気バイアス層20の構造は,組み合わされて使用され得る。たとえば,図17に示されている構造が採用され得る。図17のMRAMでは,磁気抵抗素子4と下部配線2とは,厚い下部コンタクト層12’によって電気的に接続されている。更に,固定強磁性層8が複合磁性層8aと強磁性層8bとで形成される。酸化物層14の上に磁気バイアス層20が設けられ,磁気バイアス層20と上部コンタクト層15との間には,酸化物層21が設けられている。   Even when the tunnel insulating layer 9 is arranged so as not to overlap with the via 11 in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 1, the structure of the lower contact layer 12 'in FIG. 2 and the upper contact layer 15' in FIG. 5, the structure of the pinned ferromagnetic layer 8 in FIG. 5, the structure of the free ferromagnetic layer 10 in FIGS. 10 to 13, and the structure of the magnetic bias layer 20 in FIG. 14 can be used in combination. For example, the structure shown in FIG. 17 can be adopted. In the MRAM of FIG. 17, the magnetoresistive element 4 and the lower wiring 2 are electrically connected by a thick lower contact layer 12 '. Further, the fixed ferromagnetic layer 8 is formed of the composite magnetic layer 8a and the ferromagnetic layer 8b. A magnetic bias layer 20 is provided on the oxide layer 14, and an oxide layer 21 is provided between the magnetic bias layer 20 and the upper contact layer 15.

トンネル絶縁層9が,基板1の主面に垂直な方向においてビア11とオーバーラップしない配置は,図18に示されているように,ビア11に電気的に接続される下部配線2をMRAMの読み出し専用に使用し,下部配線2に電気的に絶縁され,下部配線2と平行に設けられた書き込み配線2’を設ける場合に好適である。このような配置が採用される場合,自由強磁性層10に記憶されたデータの判別(すなわち,トンネル絶縁層9の抵抗の検知)は,上部配線3と下部配線2との間に電圧を印加した時に流れる電流を検知することによって行われる。一方,自由強磁性層10へのデータの書き込みは,上部配線3と書き込み配線2’に書き込み電流を流すことによって行われる。   The arrangement in which the tunnel insulating layer 9 does not overlap the via 11 in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 1 is such that the lower wiring 2 electrically connected to the via 11 is connected to the via 11 as shown in FIG. This is suitable for the case where a write wiring 2 ′ is used exclusively for reading, electrically insulated from the lower wiring 2, and provided in parallel with the lower wiring 2. When such an arrangement is adopted, the voltage stored between the upper wiring 3 and the lower wiring 2 is applied to discriminate the data stored in the free ferromagnetic layer 10 (that is, the detection of the resistance of the tunnel insulating layer 9). This is done by detecting the current that flows. On the other hand, data is written to the free ferromagnetic layer 10 by passing a write current through the upper wiring 3 and the write wiring 2 '.

更に,上部配線3としてCu層が使用される場合には,図18に示されているように,自由強磁性層10と上部配線層3との間に介設される酸化物層14は,上部配線3と磁気抵抗素子4を被覆する層間絶縁膜(符号は付されていない)とを分離するように形成されることが好適である。この場合,上部コンタクト層15は使用されず,自由強磁性層10と酸化物層14との間に保護層23が設けられる。保護層23は,典型的には,Ta及びZrで形成される。このような構造は,磁気抵抗素子4と上部配線3との間の相互拡散の防止と,上部配線3を構成するCuの層間絶縁膜への拡散の防止とが,酸化物層14によって実現される点で好適である。   Further, when a Cu layer is used as the upper wiring 3, as shown in FIG. 18, the oxide layer 14 interposed between the free ferromagnetic layer 10 and the upper wiring layer 3 is It is preferable that the upper wiring 3 and the interlayer insulating film (not labeled) covering the magnetoresistive element 4 are separated from each other. In this case, the upper contact layer 15 is not used, and the protective layer 23 is provided between the free ferromagnetic layer 10 and the oxide layer 14. The protective layer 23 is typically formed of Ta and Zr. In such a structure, prevention of mutual diffusion between the magnetoresistive element 4 and the upper wiring 3 and prevention of diffusion of Cu constituting the upper wiring 3 into the interlayer insulating film are realized by the oxide layer 14. This is preferable.

以上に述べられた本実施の形態の磁気抵抗素子4の構造は,磁気読み出しヘッドに適用可能であることは自明的である。   It is obvious that the structure of the magnetoresistive element 4 of the present embodiment described above can be applied to a magnetic read head.

酸化物層13と酸化物層14とを設けることによる磁気抵抗素子の特性の向上が,下記構造を有する2つの試料により確認された。
比較例1の試料:
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(6nm)/AlO(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
実施例1の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Al(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(6nm)/AlO(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al(1nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
Improvement of the characteristics of the magnetoresistive element by providing the oxide layer 13 and the oxide layer 14 was confirmed by two samples having the following structures.
Sample of Comparative Example 1:
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (6 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2 .5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 1 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (6 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)

比較例1の試料は,図1の構造から酸化物層13及び酸化物層14が排除された構造に相当する。実施例1の試料は,図1の構造に相当する構造を有し,厚さ1nmのAlで形成された酸化物層13及び酸化物層14を含んでいる。厚さ50nmのAlCu層は,下部配線2に相当し,厚さ300nmのAlCu層は,上部配線3に相当する。 The sample of Comparative Example 1 corresponds to a structure in which the oxide layer 13 and the oxide layer 14 are excluded from the structure of FIG. The sample of Example 1 has a structure corresponding to the structure of FIG. 1 and includes an oxide layer 13 and an oxide layer 14 formed of Al 2 O 3 having a thickness of 1 nm. The AlCu layer having a thickness of 50 nm corresponds to the lower wiring 2, and the AlCu layer having a thickness of 300 nm corresponds to the upper wiring 3.

図19は,比較例1及び実施例1の試料のMR比の,熱処理温度に対する依存性を示している。比較例1の試料は,約300℃を超える温度の熱処理により,MR比が劣化するのに対し,実施例1の試料は,より高温の300℃までの熱処理に耐え,それ以上の高温でも温度に対する減少度合いは低い。これは,厚さ1nmのAlで形成された酸化物層13及び酸化物層14により,Al及びCuが,AlCu層から磁気トンネル接合に拡散することが防止されたためと考えられる。 FIG. 19 shows the dependence of the MR ratio of the samples of Comparative Example 1 and Example 1 on the heat treatment temperature. The MR ratio of the sample of Comparative Example 1 is deteriorated by heat treatment at a temperature exceeding about 300 ° C., whereas the sample of Example 1 can withstand heat treatment up to a higher temperature of 300 ° C. The degree of decrease is low. This is presumably because Al and Cu were prevented from diffusing from the AlCu layer to the magnetic tunnel junction by the oxide layer 13 and the oxide layer 14 formed of Al 2 O 3 having a thickness of 1 nm.

更に,酸化物層13が,バッファ層6と反強磁性層7とから下部配線2にNi,及びMnが拡散するのを防ぐ効果が,下記構造を有する3つの試料を用いて確認された。
比較例2の試料:
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
実施例2の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/Al(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
実施例3の試料(本発明):
基板/Ta(3nm)/AlCu(50nm)/Ta(3nm)/MgO(1nm)/Ta(3nm)/Ni81Fe19(3nm)/IrMn(10nm)/Co90Fe10(4nm)
Furthermore, the effect of preventing the oxide layer 13 from diffusing Ni and Mn from the buffer layer 6 and the antiferromagnetic layer 7 to the lower wiring 2 was confirmed using three samples having the following structures.
Sample of Comparative Example 2:
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)
Sample of Example 2 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)
Sample of Example 3 (invention):
Substrate / Ta (3 nm) / AlCu (50 nm) / Ta (3 nm) / MgO (1 nm) / Ta (3 nm) / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / IrMn (10 nm) / Co 90 Fe 10 (4 nm)

比較例2の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分のから,酸化物層13が除去された構造に相当する。実施例2の試料は,トンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分の構造に相当し,酸化物層13として厚さ1nmのAlが使用されている。実施例3の試料は,トンネル絶縁層9よりも基板1に近い部分の構造に相当し,酸化物層13として厚さ1nmのMgOが使用されている。全ての試料について,厚さ50nmのAlCu層は,下部電極2に相当する。 The sample of Comparative Example 2 corresponds to a structure in which the oxide layer 13 is removed from a portion closer to the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9 having the structure of FIG. The sample of Example 2 corresponds to a structure closer to the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9, and 1 nm thick Al 2 O 3 is used as the oxide layer 13. The sample of Example 3 corresponds to a structure closer to the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9, and MgO having a thickness of 1 nm is used as the oxide layer 13. For all samples, the AlCu layer with a thickness of 50 nm corresponds to the lower electrode 2.

図20は,比較例2及び実施例2の試料について,AlCu層のシート抵抗の熱処理温度に対する依存性を示している。酸化物層13を有しない比較例2の試料は,熱処理温度が300℃を超えるとAlCu層のシート抵抗が急激に増加する。一方,Alで形成された酸化物層13を有する実施例2の試料は,350℃の熱処理を行ってもシート抵抗は増加せず,約400℃の熱処理を行ってもシート抵抗の増加は微少である。 FIG. 20 shows the dependence of the sheet resistance of the AlCu layer on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 2 and Example 2. In the sample of Comparative Example 2 that does not have the oxide layer 13, when the heat treatment temperature exceeds 300 ° C., the sheet resistance of the AlCu layer increases rapidly. On the other hand, the sample of Example 2 having the oxide layer 13 formed of Al 2 O 3 does not increase the sheet resistance even when heat treatment at 350 ° C., and the sheet resistance does not increase even when heat treatment at about 400 ° C. is performed. The increase is slight.

図21は,熱処理を様々な温度で行ったときの比較例2,実施例2及び実施例3の試料のAlCu層のシート抵抗を示している。図21に示されているように,酸化物層13を有しない比較例2の試料は,350℃,400℃の熱処理によりシート抵抗が増加する。一方,Alで形成された酸化物層13を有する実施例2の試料,及びMgOで形成された酸化物層13を有する実施例3の試料は,350℃の熱処理によっては影響を受けない。更に,実施例2及び実施例3の試料は,400℃の熱処理によるシート抵抗の増加は微少である。 FIG. 21 shows the sheet resistance of the AlCu layer of the samples of Comparative Example 2, Example 2 and Example 3 when the heat treatment is performed at various temperatures. As shown in FIG. 21, the sheet resistance of the sample of Comparative Example 2 that does not have the oxide layer 13 is increased by heat treatment at 350 ° C. and 400 ° C. On the other hand, the sample of Example 2 having the oxide layer 13 formed of Al 2 O 3 and the sample of Example 3 having the oxide layer 13 formed of MgO are affected by the heat treatment at 350 ° C. Absent. Further, in the samples of Example 2 and Example 3, the increase in sheet resistance by heat treatment at 400 ° C. is slight.

更に,酸化物層14が,上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止する効果が,下記構造を有する2つの試料を用いて確認された。
比較例3の試料:
基板/Ta(1.5nm)/Co90Fe10(10nm)/AlO(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
実施例4の試料(本発明)
基板/Ta(1.5nm)/Co90Fe10(10nm)/AlO(2nm)/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al(1nm)/Ta(5nm)/AlCu(300nm)
Further, the effect of the oxide layer 14 preventing mutual diffusion between the upper wiring 3 and the free ferromagnetic layer 10 was confirmed using two samples having the following structures.
Sample of Comparative Example 3:
Substrate / Ta (1.5 nm) / Co 90 Fe 10 (10 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (5 nm) / AlCu ( 300nm)
Sample of Example 4 (present invention)
Substrate / Ta (1.5 nm) / Co 90 Fe 10 (10 nm) / AlO x (2 nm) / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (5 nm) / AlCu (300 nm)

比較例3,実施例4の両者について,厚さ2.5nmのCo90Fe10層と,厚さ7.5nmのNi81Fe19層とは,自由強磁性層10に相当し,厚さ300nmのAlCu層は,上部配線3に相当する。実施例4に含まれる厚さ1nmのAl層は,酸化物層14に相当する。比較例3及び実施例4の試料では,Mnの拡散の影響を排除するために,反強磁性層7は設けられていない。 For both Comparative Example 3 and Example 4, the Co 90 Fe 10 layer with a thickness of 2.5 nm and the Ni 81 Fe 19 layer with a thickness of 7.5 nm correspond to the free ferromagnetic layer 10 and have a thickness of 300 nm. The AlCu layer corresponds to the upper wiring 3. The Al 2 O 3 layer having a thickness of 1 nm included in Example 4 corresponds to the oxide layer 14. In the samples of Comparative Example 3 and Example 4, the antiferromagnetic layer 7 is not provided in order to eliminate the influence of Mn diffusion.

図22は,比較例3及び実施例4の試料のMR比の,熱処理温度に対する依存性を示している。比較例3の試料は,約300℃を超える温度の熱処理によってMR比が劣化するのに対し,実施例4の試料は,より高温の370℃までの熱処理に耐える。また,400℃の熱処理においてもMR比は20%程度を保っている。これは,厚さ1nmのAlで形成された酸化物層14により,Al及びCuが,AlCu層から磁気トンネル接合に拡散することが防止されたためと考えられる。 FIG. 22 shows the dependence of the MR ratio of the samples of Comparative Example 3 and Example 4 on the heat treatment temperature. The sample of Comparative Example 3 deteriorates the MR ratio by heat treatment at a temperature exceeding about 300 ° C., whereas the sample of Example 4 can withstand heat treatment up to a higher temperature of 370 ° C. Further, the MR ratio is maintained at about 20% even in the heat treatment at 400 ° C. This is presumably because Al and Cu were prevented from diffusing from the AlCu layer to the magnetic tunnel junction by the oxide layer 14 formed of Al 2 O 3 having a thickness of 1 nm.

図23は,比較例3の試料のNi81Fe19層の磁化曲線を示しており,図24は,実施例4の試料のNi81Fe19層の磁化曲線を示している。磁化曲線は,振動式磁化測定装置によって測定されている。図23に示されているように,比較例3の試料は,380℃の熱処理を行うと,飽和磁化が減少し,ヒステリシス曲線の急峻さを失い,保磁力が増大する。これは,AlCu層とNi81Fe19層との間の相互拡散に起因する。一方,図24に示されているように,実施例4の試料の磁化曲線は,380℃の熱処理によって影響を受けない。これは,Al層が,AlCu層とNi81Fe19層との間の相互拡散を防止するためである。 FIG. 23 shows the magnetization curve of the Ni 81 Fe 19 layer of the sample of Comparative Example 3, and FIG. 24 shows the magnetization curve of the Ni 81 Fe 19 layer of the sample of Example 4. The magnetization curve is measured by a vibration type magnetometer. As shown in FIG. 23, when the sample of Comparative Example 3 is heat-treated at 380 ° C., the saturation magnetization decreases, the steep hysteresis curve is lost, and the coercive force increases. This is due to interdiffusion between the AlCu layer and the Ni 81 Fe 19 layer. On the other hand, as shown in FIG. 24, the magnetization curve of the sample of Example 4 is not affected by the heat treatment at 380 ° C. This is because the Al 2 O 3 layer prevents interdiffusion between the AlCu layer and the Ni 81 Fe 19 layer.

更に,Al層及びMgO層で形成されている酸化物層14が,上部配線3と自由強磁性層10との間の相互拡散を防止する効果が,下記の4つの試料によって確認された。
比較例4の試料:
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
比較例5の試料:
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Ta(50nm)/AlCu(300nm)
実施例5の試料(本発明):
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/Al(1nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
実施例6の試料(本発明):
基板/Co90Fe10(2.5nm)/Ni81Fe19(7.5nm)/MgO(1nm)/Ta(6nm)/AlCu(300nm)
Further, the following four samples confirmed that the oxide layer 14 formed of the Al 2 O 3 layer and the MgO layer prevents mutual diffusion between the upper wiring 3 and the free ferromagnetic layer 10. It was.
Sample of Comparative Example 4:
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Comparative Example 5:
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Ta (50 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 5 (invention):
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / Al 2 O 3 (1 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)
Sample of Example 6 (invention):
Substrate / Co 90 Fe 10 (2.5 nm) / Ni 81 Fe 19 (7.5 nm) / MgO (1 nm) / Ta (6 nm) / AlCu (300 nm)

比較例4の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分から,酸化物層14が除去された構造に相当する。比較例5の試料は,比較例4の試料において上部コンタクト層15’に相当するTaを50nmと厚くしており,上部配線3であるAlCuからの拡散を防止したような構造である。実施例5の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分の構造に相当し,酸化物層14として厚さ1nmのAlが使用されている。実施例6の試料は,図1の構造のトンネル絶縁層9よりも基板1から離れた部分の構造に相当し,酸化物層14として厚さ1nmのMgOが使用されている。比較例4,比較例5,実施例5,及び実施例6の全てについて,Co90Fe10層とNi81Fe19層とで構成される積層構造が,自由強磁性層に相当する。 The sample of Comparative Example 4 corresponds to a structure in which the oxide layer 14 is removed from a portion farther from the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9 having the structure of FIG. The sample of Comparative Example 5 has a structure in which Ta corresponding to the upper contact layer 15 ′ is thickened to 50 nm in the sample of Comparative Example 4 and diffusion from AlCu which is the upper wiring 3 is prevented. The sample of Example 5 corresponds to the structure of a portion further away from the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9 having the structure of FIG. 1, and Al 2 O 3 having a thickness of 1 nm is used as the oxide layer 14. The sample of Example 6 corresponds to the structure of a portion farther from the substrate 1 than the tunnel insulating layer 9 having the structure of FIG. 1, and MgO having a thickness of 1 nm is used as the oxide layer 14. For all of Comparative Example 4, Comparative Example 5, Example 5, and Example 6, the laminated structure composed of the Co 90 Fe 10 layer and the Ni 81 Fe 19 layer corresponds to the free ferromagnetic layer.

図25は,比較例4,比較例5,実施例5,及び実施例6の試料の自由強磁性層の飽和磁化の熱処理温度に対する依存性を示している。比較例4の試料は,図25に示されているように,約380℃の熱処理によって飽和磁化が低下し,且つ,保磁力が増加する。400℃の熱処理後では飽和磁化は殆どなくなり,その磁化曲線は,常磁性的な形状を示した。比較例5では,比較例4のような保磁力の増大は見られなかったものの,飽和磁化の値は熱処理温度の温度と共に着実に減少している。更に,比較例4では上部配線に相当するAlCu層と,自由強磁性層10に相当するCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散が顕著であった。比較例5ではAl層とCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散は防止されるが,上部コンタクト層15’に相当する50nmのTa層と,Al層とCo90Fe10層及びNi81Fe19層との間の相互拡散が生じている。これに対し,実施例5及び実施例6の試料は,全ての熱処理温度において飽和磁化が変化しておらず,より高温の400℃までの熱処理に耐える。 FIG. 25 shows the dependence of the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer of the samples of Comparative Example 4, Comparative Example 5, Example 5, and Example 6 on the heat treatment temperature. In the sample of Comparative Example 4, as shown in FIG. 25, the saturation magnetization is lowered and the coercive force is increased by the heat treatment at about 380 ° C. The saturation magnetization almost disappeared after the heat treatment at 400 ° C., and the magnetization curve showed a paramagnetic shape. In Comparative Example 5, the coercive force did not increase as in Comparative Example 4, but the saturation magnetization value steadily decreased with the temperature of the heat treatment temperature. Further, in Comparative Example 4, interdiffusion between the AlCu layer corresponding to the upper wiring and the Co 90 Fe 10 layer and Ni 81 Fe 19 layer corresponding to the free ferromagnetic layer 10 was significant. In Comparative Example 5, interdiffusion between the Al layer, the Co 90 Fe 10 layer, and the Ni 81 Fe 19 layer is prevented, but the 50 nm Ta layer corresponding to the upper contact layer 15 ′, the Al layer, and the Co 90 Fe layer Interdiffusion occurs between the 10 layers and the Ni 81 Fe 19 layer. In contrast, the samples of Examples 5 and 6 have no change in saturation magnetization at all heat treatment temperatures, and can withstand heat treatment up to a higher temperature of 400 ° C.

更に,AlO層で形成されている酸化物層14が,自由強磁性層10を3nm以下まで薄くすることを可能にすることが下記の試料によって確認された。
実施例7の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlO/Ni81Fe19/AlO/Ta(10nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応し,Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlO膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。Ni81Fe19膜の厚さは,3.0nm,2.6nm,2.2nm,1.4nm,及び1.0nmのうちから選択されている。Ni81Fe19膜は,スパッタリングによって形成されている。熱処理と磁化の測定は,図26の試料と同一の条件で行われた。即ち,熱処理の温度は,250〜400℃,時間は,30minである。磁化Mは,振動式磁力計によって測定されている。
Furthermore, the following sample confirmed that the oxide layer 14 formed of an AlO x layer enables the free ferromagnetic layer 10 to be thinned to 3 nm or less.
Sample of Example 7 (present invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9, and the Ni 81 Fe 19 film corresponds to the free ferromagnetic layer 10. Further, the AlO x film farther from the substrate corresponds to the oxide layer 14, and the Ta film farther from the substrate corresponds to the upper contact layer 15. The AlOx film corresponding to the tunnel insulating layer 9 is formed by oxidizing an Al film having a thickness of 1.5 nm by oxygen plasma, and the AlOx film corresponding to the oxide layer 14 has a thickness of 0.65 nm. The Al film is formed by being oxidized by oxygen plasma. The thickness of the Ni 81 Fe 19 film is selected from 3.0 nm, 2.6 nm, 2.2 nm, 1.4 nm, and 1.0 nm. The Ni 81 Fe 19 film is formed by sputtering. The heat treatment and the measurement of magnetization were performed under the same conditions as the sample of FIG. That is, the heat treatment temperature is 250 to 400 ° C., and the time is 30 minutes. The magnetization M s is measured by a vibrating magnetometer.

図36に示されているように,実施例7の試料は,Ni81Fe19膜の厚さが1.4nmまで薄くされても,400℃までの熱処理に対して4πM×tが安定している。4πM×tは,2.2(T・nm)から1.2(T・nm)まで低下させることができた。実施例7の試料のNi81Fe19膜の保磁力(反転磁界)は,0.5〜1.5(Oe)の範囲で安定であった。これは,酸化物層14の挿入により,自由強磁性層10を薄膜化し,これにより,保磁力を充分に安定的に低くすることができることを意味している。 As shown in FIG. 36, the sample of Example 7 shows a stable 4πM s × t with respect to the heat treatment up to 400 ° C. even when the thickness of the Ni 81 Fe 19 film is reduced to 1.4 nm. ing. 4πM s × t could be reduced from 2.2 (T · nm) to 1.2 (T · nm). The coercive force (reversal magnetic field) of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 7 was stable in the range of 0.5 to 1.5 (Oe). This means that the insertion of the oxide layer 14 makes the free ferromagnetic layer 10 thinner, thereby making it possible to sufficiently reduce the coercive force sufficiently stably.

更に,自由強磁性層10を強磁性層10aと非磁性金属で形成された拡散層10bとで構成することによる積Ms×tの低減の効果が,下記の試料によって確認された。
実施例8の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlO/Ni81Fe19(1.6nm)/非磁性金属層/AlO/Ta(10nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応している。Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10の強磁性層10aに対応し,非磁性金属層は,拡散層10bに対応している基板から離れた方のAlO膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,厚さ0.6nmのTa膜,厚さ0.3nmのTa膜,厚さ0.3nmのRu膜及び厚さ0.3nmのCu膜が使用された。
Furthermore, the following sample confirmed the effect of reducing the product Ms × t by constituting the free ferromagnetic layer 10 with the ferromagnetic layer 10a and the diffusion layer 10b formed of a nonmagnetic metal.
Sample of Example 8 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / Nonmagnetic metal layer / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9. The Ni 81 Fe 19 film corresponds to the ferromagnetic layer 10 a of the free ferromagnetic layer 10, the nonmagnetic metal layer corresponds to the diffusion layer 10 b, and the AlO x film far from the substrate corresponds to the oxide layer 14. The Ta film farther from the substrate corresponds to the upper contact layer 15. The AlOx film corresponding to the tunnel insulating layer 9 is formed by oxidizing an Al film having a thickness of 1.5 nm by oxygen plasma, and the AlOx film corresponding to the oxide layer 14 has a thickness of 0.65 nm. The Al film is formed by being oxidized by oxygen plasma. As the nonmagnetic metal layer, a Ta film having a thickness of 0.6 nm, a Ta film having a thickness of 0.3 nm, a Ru film having a thickness of 0.3 nm, and a Cu film having a thickness of 0.3 nm were used.

図37に示されているように,実施例8の試料の構造は,Ni81Fe19膜の4πMs×tを,1(T・nm)以下まで低減することを可能にする。しかも,実施例8の試料のNi81Fe19膜の4πMs×tは,400℃の熱処理に対して安定である。実施例8の試料のNi81Fe19膜の保磁力は,1.5(Oe)以下であり,充分に低い保磁力が得られている。 As shown in FIG. 37, the structure of the sample of Example 8 makes it possible to reduce 4πMs × t of the Ni 81 Fe 19 film to 1 (T · nm) or less. Moreover, the 4πMs × t of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 8 is stable with respect to the heat treatment at 400 ° C. The coercive force of the Ni 81 Fe 19 film of the sample of Example 8 is 1.5 (Oe) or less, and a sufficiently low coercive force is obtained.

更に,非磁性金属層が自由強磁性層10の中間に挿入されても,積Ms×tの低減が実現可能であることが,下記の試料によって確認された。
実施例9の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlO/Ni81Fe19(1.6nm)/非磁性金属層/Ni81Fe19(0.8nm)/AlO/Ta(10nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応し,非磁性金属層を挟む2つのNi81Fe19膜は,自由強磁性層10の強磁性層10a,10cに対応している。非磁性金属層は,拡散層10bに対応している。更に,基板から離れた方のAlO膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れた方のTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,0.3nmのTa膜が使用されている。
Further, it was confirmed by the following sample that the product Ms × t can be reduced even if the nonmagnetic metal layer is inserted in the middle of the free ferromagnetic layer 10.
Sample of Example 9 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / Nonmagnetic metal layer / Ni 81 Fe 19 (0.8 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9, and the two Ni 81 Fe 19 films sandwiching the nonmagnetic metal layer correspond to the ferromagnetic layers 10 a and 10 c of the free ferromagnetic layer 10. . The nonmagnetic metal layer corresponds to the diffusion layer 10b. Further, the AlO x film farther from the substrate corresponds to the oxide layer 14, and the Ta film farther from the substrate corresponds to the upper contact layer 15. The AlOx film corresponding to the tunnel insulating layer 9 is formed by oxidizing an Al film having a thickness of 1.5 nm by oxygen plasma, and the AlOx film corresponding to the oxide layer 14 has a thickness of 0.65 nm. The Al film is formed by being oxidized by oxygen plasma. A 0.3 nm Ta film is used as the nonmagnetic metal layer.

図37に示されているように,実施例9の試料の自由強磁性層10の4πM×tは,1(T・nm)以下まで低減され,その4πM×tは,400℃の熱処理に対して安定であった。これは,非磁性金属層の材料,その厚さ,及びその位置を最適に調整することにより,自由強磁性層10の積M×tを安定的に低減することが可能であることを示している。 As shown in FIG. 37, 4πM s × t of the free ferromagnetic layer 10 of the sample of Example 9 is reduced to 1 (T · nm) or less, and the 4πM s × t is a heat treatment at 400 ° C. It was stable against. This indicates that the product M s × t of the free ferromagnetic layer 10 can be stably reduced by optimally adjusting the material, thickness, and position of the nonmagnetic metal layer. ing.

更に,自由強磁性層10の一部を酸化することによって積Ms×tの低減が実現可能であることが,下記の試料によって確認された。
比較例6の試料:
基板/Ta(10nm)/AlO/Ni81Fe19(2.2nm)/AlO/Ta(10nm)
実施例10の試料(本発明):
基板/Ta(10nm)/AlO/Ni81Fe19/NiFeO/AlO/Ta(10nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応し,Ni81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlO膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成さている。Ni81Fe19膜,NiFeO膜,及び酸化物層14に対応するAlO膜は,下記の工程によって形成されている。まず,トンネル絶縁層9に対応するAlO膜の上に,厚さ2.2nmのNi81Fe19膜が形成された。そのNi81Fe19膜の上に,厚さ0.65nmのAl膜が形成された。Al膜の形成の後,Al膜の表面が酸素プラズマに曝露された。酸素プラズマの曝露により,Al膜と,Ni81Fe19膜の一部が酸化され,NiFeO膜,及び酸化物層14に対応するAlO膜が形成された。
Furthermore, it was confirmed by the following sample that the product Ms × t can be reduced by oxidizing a part of the free ferromagnetic layer 10.
Sample of Comparative Example 6:
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 (2.2 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
Sample of Example 10 (invention):
Substrate / Ta (10 nm) / AlO x / Ni 81 Fe 19 / NiFeO x / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9, and the Ni 81 Fe 19 film corresponds to the free ferromagnetic layer 10. Further, the AlO x film farther from the substrate corresponds to the oxide layer 14, and the Ta film farther from the substrate corresponds to the upper contact layer 15. The AlOx film corresponding to the tunnel insulating layer 9 is formed by oxidizing an Al film having a thickness of 1.5 nm by oxygen plasma. The Ni 81 Fe 19 film, the NiFeO x film, and the AlO x film corresponding to the oxide layer 14 are formed by the following steps. First, a Ni 81 Fe 19 film having a thickness of 2.2 nm was formed on the AlO x film corresponding to the tunnel insulating layer 9. An Al film having a thickness of 0.65 nm was formed on the Ni 81 Fe 19 film. After the formation of the Al film, the surface of the Al film was exposed to oxygen plasma. By exposure to oxygen plasma, the Al film and a part of the Ni 81 Fe 19 film were oxidized, and the NiFeO x film and the AlO x film corresponding to the oxide layer 14 were formed.

図37に示されているように,実施例10の試料の自由強磁性層10の4πM×tは,比較例6の試料の自由強磁性層10の4πM×tよりも低かった。これは,自由強磁性層10の一部を酸化することによって積Ms×tの低減が実現可能であることを意味している。 As shown in FIG. 37, 4πM s × t of the free ferromagnetic layer 10 of the sample of Example 10 was lower than 4πM s × t of the free ferromagnetic layer 10 of the sample of Comparative Example 6. This means that the product Ms × t can be reduced by oxidizing a part of the free ferromagnetic layer 10.

積M×tを低減することにより,サブミクロンオーダのサイズの自由強磁性層10の反転磁界が低減可能であることを実証する為に,ドットパターンの磁化評価が行われた。磁気抵抗素子が,縦横のサイズが0.5×1.0μm2である長円型のドット状の試料に加工され,加工された試料が評価された。ドットへの加工はフォトリソグラフィーとイオンミリングを用いて行われた。形成された試料の積層構造は,下記のとおりである。
比較例7の試料:
基板/Ta(30nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ir20Mn80/Co90Fe10/AlO/Ni81Fe19(3nm)/Ta(10nm)
実施例11の試料(本発明):
基板/Ta(30nm)/Ni81Fe19(2nm)/Ir20Mn80/Co90Fe10/AlO/Ni81Fe19(1.6nm)/AlO/Ta(10nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応し,トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜の上に形成されたNi81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。更に,基板から離れた方のAlO膜は,酸化物層14に対応し,基板から離れたほうのTa膜は,上部コンタクト層15に対応している。トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜は,1.5nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成され,酸化物層14に対応するAlOx膜は,0.65nmの厚さのAl膜が酸素プラズマによって酸化されることによって形成されている。非磁性金属層としては,0.3nmのTa膜が使用されている。比較例7の試料の自由強磁性層10の膜厚は,従来技術による薄膜化の限界である3.0nmである。比較例7の試料の4πM×tは,2.2(T・nm)であり,実施例11の試料の4πM×tは,1.5(T・nm)であった。
In order to demonstrate that the reversal magnetic field of the free ferromagnetic layer 10 having a size of the order of submicron can be reduced by reducing the product M s × t, the magnetization evaluation of the dot pattern was performed. The magnetoresistive element was processed into an elliptical dot-shaped sample having a vertical and horizontal size of 0.5 × 1.0 μm 2 , and the processed sample was evaluated. Processing into dots was performed using photolithography and ion milling. The laminated structure of the formed sample is as follows.
Sample of Comparative Example 7:
Substrate / Ta (30 nm) / Ni 81 Fe 19 (2 nm) / Ir 20 Mn 80 / Co 90 Fe 10 / AlO x / Ni 81 Fe 19 (3 nm) / Ta (10 nm)
Sample of Example 11 (invention):
Substrate / Ta (30 nm) / Ni 81 Fe 19 (2 nm) / Ir 20 Mn 80 / Co 90 Fe 10 / AlO x / Ni 81 Fe 19 (1.6 nm) / AlO x / Ta (10 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9, and the Ni 81 Fe 19 film formed on the AlO x film corresponding to the tunnel insulating layer 9 corresponds to the free ferromagnetic layer 10. . Further, the AlO x film farther from the substrate corresponds to the oxide layer 14, and the Ta film farther from the substrate corresponds to the upper contact layer 15. The AlOx film corresponding to the tunnel insulating layer 9 is formed by oxidizing an Al film having a thickness of 1.5 nm by oxygen plasma, and the AlOx film corresponding to the oxide layer 14 has a thickness of 0.65 nm. The Al film is formed by being oxidized by oxygen plasma. A 0.3 nm Ta film is used as the nonmagnetic metal layer. The film thickness of the free ferromagnetic layer 10 of the sample of Comparative Example 7 is 3.0 nm, which is the limit of thinning by the prior art. 4πM s × t of the sample of Comparative Example 7 was 2.2 (T · nm), and 4πM s × t of the sample of Example 11 was 1.5 (T · nm).

図38は,比較例7の試料と実施例11の試料の自由強磁性層の磁化曲線である。図38においては,反転磁界を比較できるように,オフセット磁場がキャンセルされていることに注意されたい。実施例11の試料の自由強磁性層の反転磁界は,10(Oe)であり,比較例7の試料の反転磁界18(Oe)よりも低かった。このように,4πM×tが低減されている実施例11の試料は,その反転磁界も低減されていた。 FIG. 38 shows the magnetization curves of the free ferromagnetic layers of the sample of Comparative Example 7 and the sample of Example 11. Note that in FIG. 38, the offset magnetic field is canceled so that the reversed magnetic fields can be compared. The reversal magnetic field of the free ferromagnetic layer of the sample of Example 11 was 10 (Oe), which was lower than the reversal magnetic field 18 (Oe) of the sample of Comparative Example 7. Thus, in the sample of Example 11 in which 4πM s × t was reduced, the switching magnetic field was also reduced.

更に,酸化物層14の挿入が,自由強磁性層の磁気抵抗曲線の角型性を保ち反転磁界のバラツキを抑制することが,下記の積層構造を有する磁気抵抗素子の試料によって検証された。
比較例8の試料:
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlO/NiFe(3nm)/Ta(30nm)
比較例9の試料:
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlO/NiFe(4nm)/Ta(30nm)
実施例12の試料(本発明):
基板/Ta(30nm)/NiFe(2nm)/Ir20Mn80(10nm)/Co90Fe10(1.5nm)/AlO/NiFe(2nm)/AlO/Ta(30nm)
基板に近い方のAlO膜は,トンネル絶縁層9に対応し,トンネル絶縁層9に対応するAlOx膜の上に形成されたNi81Fe19膜は,自由強磁性層10に対応している。比較例8,比較例9,及び実施例12の試料のNiFe膜は,いずれも,Ni組成比が82%よりも小さく,従って,NiFe膜の磁歪定数は,いずれも,正である。ただし,NiFe膜の組成は,異なっており,従って,磁歪定数も異なっている。比較例8,比較例9,及び実施例12の試料の自由強磁性層10の磁歪定数λは,それぞれ,約2×10−5,約9×10−7,約5×10−6である。
Further, it was verified by the sample of the magnetoresistive element having the following laminated structure that the insertion of the oxide layer 14 maintains the squareness of the magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer and suppresses the variation of the reversal magnetic field.
Sample of Comparative Example 8:
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (3 nm) / Ta (30 nm)
Sample of Comparative Example 9:
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (4 nm) / Ta (30 nm)
Sample of Example 12 (invention):
Substrate / Ta (30 nm) / NiFe (2 nm) / Ir 20 Mn 80 (10 nm) / Co 90 Fe 10 (1.5 nm) / AlO x / NiFe (2 nm) / AlO x / Ta (30 nm)
The AlO x film closer to the substrate corresponds to the tunnel insulating layer 9, and the Ni 81 Fe 19 film formed on the AlO x film corresponding to the tunnel insulating layer 9 corresponds to the free ferromagnetic layer 10. . The NiFe films of the samples of Comparative Example 8, Comparative Example 9, and Example 12 all have a Ni composition ratio less than 82%, and therefore the magnetostriction constant of the NiFe film is positive. However, the composition of the NiFe film is different and therefore the magnetostriction constant is also different. The magnetostriction constants λ of the free ferromagnetic layers 10 of the samples of Comparative Example 8, Comparative Example 9, and Example 12 are about 2 × 10 −5 , about 9 × 10 −7 , and about 5 × 10 −6 , respectively. .

磁気抵抗素子は,下記の工程によって形成された。AlCu配線からなるワード線(下部配線2に対応)が形成され,該ワード線の周りに層間絶縁膜としてSiO膜が成膜された。更に,CMP (chemical mechanical polishing)によってSiO膜が平坦化された後,平坦化されたSiO膜の上に磁気抵抗素子を構成する積層膜が形成された。積層膜はマグネトロンスパッタ法により成膜した。各材料は放電アルゴン圧が0.2Pa以下,成膜レートが約0.2nm/sの条件で成膜された。トンネルバリアはAl層をスパッタ後,プラズマ酸化させることによって形成した。積層膜を275℃で5kOeの磁場中熱処理した後,フォトリソグラフィーとイオンミリングによって0.7×1.4μmの長円型に加工されて磁気抵抗素子が形成された。磁気抵抗素子のアスペクト比は,2である。磁気抵抗素子の自由強磁性層とトンネル絶縁層とが接合する接合面はワード線の上方に位置している。磁気抵抗素子とワード線とは直接には接続されていない。ワード線と磁気抵抗素子の接合面との距離は約200nmである。またワード線の幅は1μmである。この磁気抵抗素子の長軸方向はワード線方向に揃えられており、磁気抵抗素子の結晶磁気異方性は,磁場中における熱処理と磁場中におけるスパッタリングによって長軸方向に容易軸が揃えられている。ワード線の幅は磁気抵抗素子の短辺方向の幅と同程度である。更に,磁気抵抗素子の周りに層間絶縁膜としてSiO膜が成膜される。成膜されたSiO膜の磁気抵抗素子の直上の位置にビアが形成され,SiO膜の上から全面にAlCu合金が成膜される。その後,AlCu合金をフォトリソグラフィーとエッチングによって加工してビット線(上部配線3に対応)が形成された。ビット線とワード線の方向は垂直である。磁ワード線により,磁気抵抗素子の短軸方向に強い圧縮応力が生じている。形成された磁気抵抗素子の自由強磁性層は磁歪定数が正なので,応力誘起磁気異方性は磁気抵抗素子の長軸方向に発生している。従って,結晶磁気異方性,形状磁気異方性,及び応力誘起磁気異方性は,その方向が殆ど揃っており,磁気抵抗素子は,その長軸方向を容易軸とする一軸磁気異方性を有している。 The magnetoresistive element was formed by the following process. A word line made of AlCu wiring (corresponding to the lower wiring 2) was formed, and an SiO 2 film was formed as an interlayer insulating film around the word line. Furthermore, after the SiO 2 film was planarized by CMP (chemical mechanical polishing), a laminated film constituting a magnetoresistive element was formed on the planarized SiO 2 film. The laminated film was formed by magnetron sputtering. Each material was formed under the conditions that the discharge argon pressure was 0.2 Pa or less and the film formation rate was about 0.2 nm / s. The tunnel barrier was formed by plasma oxidation after sputtering of the Al layer. The laminated film was heat-treated in a magnetic field of 5 kOe at 275 ° C. and then processed into a 0.7 × 1.4 μm oval shape by photolithography and ion milling to form a magnetoresistive element. The aspect ratio of the magnetoresistive element is 2. The junction surface where the free ferromagnetic layer and the tunnel insulating layer of the magnetoresistive element are joined is located above the word line. The magnetoresistive element and the word line are not directly connected. The distance between the word line and the junction surface of the magnetoresistive element is about 200 nm. The width of the word line is 1 μm. The major axis direction of this magnetoresistive element is aligned with the word line direction, and the crystalline magnetic anisotropy of the magnetoresistive element is aligned with the easy axis in the major axis direction by heat treatment in the magnetic field and sputtering in the magnetic field. . The width of the word line is about the same as the width of the magnetoresistive element in the short side direction. Further, an SiO 2 film is formed as an interlayer insulating film around the magnetoresistive element. Vias are formed at a position directly above the magnetoresistive elements of the formed SiO 2 film, AlCu alloy is deposited on the entire surface over the SiO 2 film. Thereafter, the AlCu alloy was processed by photolithography and etching to form a bit line (corresponding to the upper wiring 3). The direction of the bit line and the word line is vertical. A strong compressive stress is generated in the short axis direction of the magnetoresistive element by the magnetic word line. Since the magnetostriction constant of the free ferromagnetic layer of the formed magnetoresistive element is positive, stress-induced magnetic anisotropy occurs in the major axis direction of the magnetoresistive element. Therefore, crystal magnetic anisotropy, shape magnetic anisotropy, and stress-induced magnetic anisotropy are almost aligned, and the magnetoresistive element has uniaxial magnetic anisotropy with its long axis as the easy axis. have.

比較例8,9及び実施例12の磁気抵抗素子の試料が,無作為に10個ずつ選ばれ,選ばれた試料の自由強磁性層の磁気抵抗曲線が測定された。図39A〜図39Cは,測定された磁気抵抗曲線を示している。図39Aよりわかるように比較例8の磁気抵抗素子の自由強磁性層は,その4πM×tが2.2(T・nm)と小さい。即ち,形状磁気異方性が小さいにも関わらず,比較例8の自由強磁性層の反転磁界は,21(Oe)と最も大きい。これは磁歪定数が大きいため応力誘起磁気異方性の増加によって反転磁界が増大したものと考えられる。また磁気抵抗曲線の角形性は良いがそのばらつきが大きい。これは自由強磁性層の膜厚が3nmと薄層化の限界に近い為、Ta膜とNiFe膜との間の相互拡散が大きく,組成ずれによる磁歪定数のばらつきが発生していることを示している。 Ten samples of the magnetoresistive elements of Comparative Examples 8 and 9 and Example 12 were randomly selected, and the magnetoresistance curves of the free ferromagnetic layers of the selected samples were measured. 39A to 39C show the measured magnetoresistance curves. As can be seen from FIG. 39A, the free ferromagnetic layer of the magnetoresistive element of Comparative Example 8 has a small 4πM s × t of 2.2 (T · nm). That is, although the shape magnetic anisotropy is small, the switching magnetic field of the free ferromagnetic layer of Comparative Example 8 is the largest at 21 (Oe). This is thought to be because the reversal magnetic field increased due to the increase in stress-induced magnetic anisotropy due to the large magnetostriction constant. Further, the squareness of the magnetoresistance curve is good, but the variation is large. This indicates that the thickness of the free ferromagnetic layer is 3 nm, which is close to the limit of thinning, so that the mutual diffusion between the Ta film and the NiFe film is large and the magnetostriction constant varies due to the composition shift. ing.

図39Bに示されているように,比較例9の磁気抵抗素子は,反転磁場が13(Oe)と最も小さいが磁気抵抗曲線の角形性が悪くループが寝てしまっている。磁気抵抗曲線に現れるバルクハウゼンノイズも多い。これは磁歪定数が非常に小さく応力誘起異方性が殆どないため一軸異方性が弱まり反転磁場が小さくなったこと、自由強磁性層の4πM×tが3.2(T・nm)と大きく,且つ,素子アスペクト比が2と小さいことによって反磁場の影響が強くなっていることを反映しているものと考えられる。比較例9の磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線の角形性やばらつきを改善するにはアスペクト比を大きくして反磁場を減らし形状異方性を強めなければならない。これは,素子サイズの増大や反転磁場の増大という問題点が生じる。 As shown in FIG. 39B, the magnetoresistive element of Comparative Example 9 has the smallest reversal magnetic field of 13 (Oe), but the squareness of the magnetoresistive curve is poor and the loop lies down. There are also many Barkhausen noises appearing in the magnetoresistance curve. This is because the magnetostriction constant is very small and there is almost no stress-induced anisotropy, so the uniaxial anisotropy is weakened and the reversal magnetic field is reduced, and 4πM s × t of the free ferromagnetic layer is 3.2 (T · nm). This is considered to reflect the fact that the influence of the demagnetizing field is increased due to the large element aspect ratio of 2. In order to improve the squareness and variation of the magnetoresistive curve of the magnetoresistive element of Comparative Example 9, the aspect ratio must be increased to reduce the demagnetizing field and increase the shape anisotropy. This causes problems such as an increase in element size and an increase in switching magnetic field.

図39Cに示されているように,実施例12の磁気抵抗素子は,自由強磁性層の反転磁場が16(Oe)と小さく,磁気抵抗曲線の角形性が良く,且つ,反転磁場のばらつきも最も小さくて優れている。これは,本発明の磁気抵抗素子は磁歪定数のばらつきを抑え,安定な応力誘起磁気異方性を適度に誘起していること、自由強磁性層の4πM×tが,約2(T・nm)と最も小さいことから反磁場が小さく形状磁気異方性も小さいことによるものと考えられる。 As shown in FIG. 39C, in the magnetoresistive element of Example 12, the reversal field of the free ferromagnetic layer is as small as 16 (Oe), the squareness of the magnetoresistance curve is good, and the variation of the reversal field is also large. Smallest and excellent. This is because the magnetoresistive element of the present invention suppresses variations in the magnetostriction constant and appropriately induces stable stress-induced magnetic anisotropy, and the 4πM s × t of the free ferromagnetic layer is about 2 (T · nm), the demagnetizing field is small and the shape magnetic anisotropy is also small.

応力誘起磁気異方性が適切に制御されている本発明の磁気抵抗素子が,小さなアスペクト比と特性の安定化とを両方実現できることが,下記の実験によって実証された。様々なアスペクト比を有する比較例9及び実施例12の磁気抵抗素子が形成された。磁気抵抗素子の短軸の長さは0.5又は0.7μmであり,アスペクト比は,1.0〜3.5であった。磁歪定数が大きい実施例12の試料は,形状磁気異方性に対する応力誘起磁気異方性の比K2/K3が比較的に大きく,全てのアスペクト比の試料において、その比K2/K3は0.6以上である。全ての実施例12の試料のうち,アスペクト比が1.6以下の試料は,応力誘起磁気異方性が形状磁気異方性よりも大きい,即ち,比K2/K3が1.0以上であることに留意されたい。それぞれの条件について30個の磁気抵抗素子が形成され,形成された磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線が評価された。更に,磁気抵抗素子の歩留まりが算出された。歩留まりの算出においては,磁気抵抗曲線に異常を有する磁気抵抗素子,例えば,磁気抵抗曲線にバルクハウゼンノイズが見られる試料,及びループの形状が寝てしまっている試料は,不良試料であると定義された。   The following experiment proved that the magnetoresistive element of the present invention in which the stress-induced magnetic anisotropy is appropriately controlled can realize both a small aspect ratio and stabilization of characteristics. The magnetoresistive elements of Comparative Example 9 and Example 12 having various aspect ratios were formed. The short axis length of the magnetoresistive element was 0.5 or 0.7 μm, and the aspect ratio was 1.0 to 3.5. The sample of Example 12 having a large magnetostriction constant has a relatively large ratio K2 / K3 of the stress-induced magnetic anisotropy to the shape magnetic anisotropy. 6 or more. Of all the samples of Example 12, the sample having an aspect ratio of 1.6 or less has a stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy, that is, the ratio K2 / K3 is 1.0 or more. Please note that. Thirty magnetoresistive elements were formed for each condition, and the magnetoresistive curves of the formed magnetoresistive elements were evaluated. Furthermore, the yield of the magnetoresistive element was calculated. In calculating the yield, a magnetoresistive element having an abnormality in a magnetoresistive curve, for example, a sample in which Barkhausen noise is seen in the magnetoresistive curve, and a sample in which the loop shape is lying are defined as defective samples. It was done.

図40は,磁気抵抗素子の歩留まりを示すグラフである。磁歪定数が小さい(即ち,応力誘起磁気異方性が小さい)比較例9の磁気抵抗素子は,アスペクト比が3.5である試料のみしか充分に大きな歩留まりを示さない。これは,比較例9の試料は,形状磁気異方性による特性の安定化が必要であることを意味している。一方,充分に大きな応力誘起磁気異方性が与えられている実施例12の磁気抵抗素子は,1.0から3.5のアスペクト比範囲の全域に渡って,充分な歩留まりを示している。これは,応力誘起磁気異方性を形状磁気異方性よりも大きくすることにより,2以下のアスペクト比範囲でも充分に大きな歩留まりを得ることができることを示している。   FIG. 40 is a graph showing the yield of magnetoresistive elements. The magnetoresistive element of Comparative Example 9 having a small magnetostriction constant (that is, a small stress-induced magnetic anisotropy) shows a sufficiently large yield only for a sample having an aspect ratio of 3.5. This means that the sample of Comparative Example 9 needs to stabilize the characteristics due to shape magnetic anisotropy. On the other hand, the magnetoresistive element of Example 12 to which a sufficiently large stress-induced magnetic anisotropy is given exhibits a sufficient yield over the entire aspect ratio range of 1.0 to 3.5. This shows that a sufficiently large yield can be obtained even in an aspect ratio range of 2 or less by making the stress-induced magnetic anisotropy larger than the shape magnetic anisotropy.

図1は,本発明による磁気抵抗デバイスの実施の一形態を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a magnetoresistive device according to the present invention. 図2は,厚い下部コンタクト層12’を含む,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第1変形例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a first modification of the magnetoresistive device of the present embodiment including a thick lower contact layer 12 '. 図3は,厚い上部コンタクト層15’を含む,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第2変形例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a second modification of the magnetoresistive device of the present embodiment including the thick upper contact layer 15 ′. 図4は,反強磁性層7’,バッファ層6’,及びシード層5’が配線の一部を構成する,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第3変形例を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a third modification of the magnetoresistive device of the present embodiment in which the antiferromagnetic layer 7 ′, the buffer layer 6 ′, and the seed layer 5 ′ constitute a part of the wiring. 図5は,複合磁性層8aを含む固定強磁性層8を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第4変形例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fourth modification of the magnetoresistive device according to the present embodiment, which includes the fixed ferromagnetic layer 8 including the composite magnetic layer 8a. 図6(a),(b)は,複合磁性層8aの構造を示す断面図である。6A and 6B are cross-sectional views showing the structure of the composite magnetic layer 8a. 図7は,強磁性体であるCoFeと非磁性金属であるTaとで形成された合金ターゲットを,酸素ガスを含むスパッタガスによってスパッタすることにより形成された薄膜の抵抗率を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the resistivity of a thin film formed by sputtering an alloy target formed of CoFe as a ferromagnetic material and Ta as a nonmagnetic metal with a sputtering gas containing oxygen gas. 図8は,かかる薄膜の飽和磁化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the saturation magnetization of such a thin film. 図9は,かかる薄膜についてXPSを行うことによって得られるCo2pスペクトルを示す。FIG. 9 shows a Co 2p spectrum obtained by performing XPS on such a thin film. 図10は,複合磁性層10bを含む自由強磁性層10を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第5変形例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a fifth modification of the magnetoresistive device of the present embodiment provided with the free ferromagnetic layer 10 including the composite magnetic layer 10b. 図11は,複合磁性層10bとソフト強磁性層10cとを含む自由強磁性層10を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第6変形例を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a sixth modification of the magnetoresistive device of the present embodiment provided with a free ferromagnetic layer 10 including a composite magnetic layer 10b and a soft ferromagnetic layer 10c. 図12は,金属強磁性層10d,複合磁性層10e,非磁性層10f,複合磁性層10g及びソフト強磁性層10hを含む自由強磁性層10を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第7変形例を示す断面図である。FIG. 12 shows the magnetoresistive device according to the present embodiment, which includes a free ferromagnetic layer 10 including a metal ferromagnetic layer 10d, a composite magnetic layer 10e, a nonmagnetic layer 10f, a composite magnetic layer 10g, and a soft ferromagnetic layer 10h. It is sectional drawing which shows a 7th modification. 図13は,金属強磁性層10iを含む自由強磁性層10を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第7変形例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a seventh modification of the magnetoresistive device of the present embodiment provided with a free ferromagnetic layer 10 including a metal ferromagnetic layer 10i. 図14は,磁気バイアス層20を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第8変形例を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing an eighth modified example of the magnetoresistive device of the present embodiment including the magnetic bias layer 20. 図15は,複合磁性層8aと,複合強磁性層10bと,ソフト強磁性層10cと,磁気バイアス層20と,酸化物層21とを備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第9変形例を示す断面図である。FIG. 15 shows a ninth example of the magnetoresistive device according to the present embodiment including the composite magnetic layer 8a, the composite ferromagnetic layer 10b, the soft ferromagnetic layer 10c, the magnetic bias layer 20, and the oxide layer 21. It is sectional drawing which shows a modification. 図16は,基板1の主面に垂直な方向において,ビア11とトンネル強磁性層9とがオーバーラップしない構造を有する,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第10変形例を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a tenth modification of the magnetoresistive device of the present embodiment having a structure in which the via 11 and the tunnel ferromagnetic layer 9 do not overlap in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 1. is there. 図17は,基板1の主面に垂直な方向において,ビア11とトンネル強磁性層9とがオーバーラップしない構造を有する,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第11変形例を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing an eleventh modification of the magnetoresistive device of the present embodiment having a structure in which the via 11 and the tunnel ferromagnetic layer 9 do not overlap in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 1. is there. 図18は,読み出しに使用される下部配線2と別に書き込み配線2’を備えた,本実施の形態の磁気抵抗デバイスの第12変形例を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a twelfth modification of the magnetoresistive device of this embodiment, which includes a write wiring 2 ′ separately from the lower wiring 2 used for reading. 図19は,比較例1及び実施例1の試料について,磁気トンネル接合のMR比の熱処理温度に対する依存性を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the dependence of the MR ratio of the magnetic tunnel junction on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 1 and Example 1. 図20は,比較例2及び実施例2の試料について,AlCu層のシート抵抗の熱処理温度に対する依存性を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the dependence of the sheet resistance of the AlCu layer on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 2 and Example 2. 図21は,比較例2,実施例2,及び実施例3の試料について,AlCu層のシート抵抗の熱処理温度に対する依存性を示す表である。FIG. 21 is a table showing the dependence of the sheet resistance of the AlCu layer on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 2, Example 2, and Example 3. 図22は,比較例3及び実施例4の試料について,磁気トンネル接合のMR比の熱処理温度に対する依存性を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing the dependence of the MR ratio of the magnetic tunnel junction on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 3 and Example 4. 図23は,比較例3の試料の磁化曲線を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing the magnetization curve of the sample of Comparative Example 3. 図24は,実施例4の試料の磁化曲線を示す図である。FIG. 24 is a diagram showing the magnetization curve of the sample of Example 4. 図25は,比較例4,比較例5,実施例5,及び実施例6の試料について,自由強磁性層の飽和磁化の,熱処理温度に対する依存性を示す表である。FIG. 25 is a table showing the dependence of the saturation magnetization of the free ferromagnetic layer on the heat treatment temperature for the samples of Comparative Example 4, Comparative Example 5, Example 5, and Example 6. 図26は,膜厚tが薄い自由強磁性層の4πM×tの,熱処理による影響を示すグラフである。FIG. 26 is a graph showing the effect of heat treatment on 4πM s × t of a free ferromagnetic layer with a thin film thickness t. 図27は,積4πM×tを低減する自由強磁性層の構造を示す断面図である。FIG. 27 is a cross-sectional view showing the structure of a free ferromagnetic layer that reduces the product 4πM s × t. 図28は,積4πM×tを低減する自由強磁性層の他の構造を示す断面図である。FIG. 28 is a cross-sectional view showing another structure of the free ferromagnetic layer for reducing the product 4πM s × t. 図29は,積4πM×tを低減する自由強磁性層の更に他の構造を示す断面図である。FIG. 29 is a cross-sectional view showing still another structure of the free ferromagnetic layer that reduces the product 4πM s × t. 図30は,積4πM×tを低減する自由強磁性層の更に他の構造を示す断面図である。FIG. 30 is a cross-sectional view showing still another structure of the free ferromagnetic layer for reducing the product 4πM s × t. 図31は,形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性との磁化容易軸の方向を一致させるMRAM構造を示す断面図である。FIG. 31 is a cross-sectional view showing an MRAM structure in which the directions of easy axes of shape magnetic anisotropy and stress-induced magnetic anisotropy coincide. 図32は,形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性との磁化容易軸の方向を一致させるMRAM構造を示す平面図である。FIG. 32 is a plan view showing an MRAM structure in which the directions of easy axes of shape magnetic anisotropy and stress-induced magnetic anisotropy coincide with each other. 図33は,結晶磁気異方性と形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性との関係を示す平面図である。FIG. 33 is a plan view showing the relationship among magnetocrystalline anisotropy, shape magnetic anisotropy, and stress-induced magnetic anisotropy. 図34は,形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性との方向を一致させる他のMRAM構造を示す平面図である。FIG. 34 is a plan view showing another MRAM structure in which the directions of shape magnetic anisotropy and stress-induced magnetic anisotropy coincide. 図35は,形状磁気異方性と応力誘起磁気異方性との好適な関係を示す平面図である。FIG. 35 is a plan view showing a preferred relationship between shape magnetic anisotropy and stress-induced magnetic anisotropy. 図36は,実施例7の試料について,4πM×tの熱処理による影響を示すグラフである。FIG. 36 is a graph showing the influence of the heat treatment of 4πM s × t for the sample of Example 7. 図37は,比較例6,及び実施例8,9,10の試料について,4πM×tの熱処理による影響を示すグラフである。FIG. 37 is a graph showing the influence of heat treatment of 4πM s × t for the samples of Comparative Example 6 and Examples 8, 9, and 10. 図38は,比較例7の試料と実施例11の試料の,自由強磁性層の磁化曲線である。FIG. 38 is a magnetization curve of the free ferromagnetic layer of the sample of Comparative Example 7 and the sample of Example 11. 図39Aは,比較例8の試料の,自由強磁性層の磁気抵抗曲線である。FIG. 39A is a magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer of the sample of Comparative Example 8. 図39Bは,比較例9の試料の,自由強磁性層の磁気抵抗曲線である。FIG. 39B is a magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer of the sample of Comparative Example 9. 図39Cは,実施例12の試料の,自由強磁性層の磁気抵抗曲線である。FIG. 39C is a magnetoresistance curve of the free ferromagnetic layer of the sample of Example 12. 図40Cは,比較例9及び実施例12の試料の,アスペクト比と歩留まりとの関係を示すグラフである。FIG. 40C is a graph showing the relationship between the aspect ratio and the yield of the samples of Comparative Example 9 and Example 12.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板
2:下部配線
3:上部配線
4:磁気抵抗素子
5,5’:シード層
6,6’:バッファ層
7,7’:反強磁性層
8:固定強磁性層
8a:複合磁性層
8b:金属強磁性層
9:トンネル絶縁層
10:自由強磁性層
10a,10d,10i:金属強磁性層
10b,10e,10g:複合磁性層
10c,10h:ソフト強磁性層
10f:非磁性層
11:ビア
12,12’:下部コンタクト層
13,13’:酸化物層
14:酸化物層
15,15’:上部コンタクト層
16:保護層
17:強磁性層
18:反強磁性層
19:保護層
20:磁気バイアス層
21:酸化物層
22:ビア
1: Substrate 2: Lower wiring 3: Upper wiring 4: Magnetoresistive element 5, 5 ′: Seed layer 6, 6 ′: Buffer layer 7, 7 ′: Antiferromagnetic layer 8: Fixed ferromagnetic layer 8a: Composite magnetic layer 8b: Metal ferromagnetic layer 9: Tunnel insulating layer 10: Free ferromagnetic layer 10a, 10d, 10i: Metal ferromagnetic layer 10b, 10e, 10g: Composite magnetic layer 10c, 10h: Soft ferromagnetic layer 10f: Nonmagnetic layer 11 : Via 12, 12 ': Lower contact layer 13, 13': Oxide layer 14: Oxide layer 15, 15 ': Upper contact layer 16: Protective layer 17: Ferromagnetic layer 18: Antiferromagnetic layer 19: Protective layer 20: Magnetic bias layer 21: Oxide layer 22: Via

Claims (22)

反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギーが低い元素の酸化物で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion preventing structure is formed of an oxide of an element having a lower free energy for oxide formation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface.
A magnetoresistive device characterized by that .
前記拡散防止構造体は,AlOx,MgOx,SiOx,TiOx,CaOx,LiOx,HfOxからなる群から選択された材料で形成されるThe diffusion preventing structure is made of a material selected from the group consisting of AlOx, MgOx, SiOx, TiOx, CaOx, LiOx, and HfOx.
ことを特徴とする,請求項1に記載の磁気抵抗デバイスThe magnetoresistive device according to claim 1,
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is formed of an oxynitride of an element having lower oxide formation free energy and nitride formation free energy than an element constituting a layer in contact with the upper and lower surfaces
A magnetoresistive device characterized by that .
前記拡散防止構造体は,AlNO,SiNO,TiNO,HfNOからなる群から選択された材料で形成されるThe diffusion prevention structure is formed of a material selected from the group consisting of AlNO, SiNO, TiNO, and HfNO.
ことを特徴とする,請求項3に記載の磁気抵抗デバイスThe magnetoresistive device according to claim 3, wherein
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は酸化物層であり,且つ前記トンネル絶縁層と同一の材料で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is an oxide layer and is formed of the same material as the tunnel insulating layer.
A magnetoresistive device characterized by that .
前記拡散防止構造体は,前記トンネル絶縁層よりも薄い
ことを特徴とする,請求項1,2,5のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The diffusion prevention structure is thinner than the tunnel insulating layer
The magnetoresistive device according to any one of claims 1, 2, and 5, characterized in that:
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層とを含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記拡散防止構造体は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成される
ことを特徴とする磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The diffusion prevention structure is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN.
A magnetoresistive device characterized by that .
前記拡散防止構造体は,前記導体を構成する材料の少なくとも一種が前記磁気抵抗素子に拡散することを防止する機能を有する
ことを特徴とする,請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The diffusion preventing structure has a function of preventing at least one of materials constituting the conductor from diffusing into the magnetoresistive element.
A magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that
前記拡散防止構造体は,前記磁気抵抗素子を構成する材料の少なくとも一種が前記導体に拡散することを防止する機能を有する
ことを特徴とする,請求項1乃至7のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The diffusion preventing structure has a function of preventing at least one of the materials constituting the magnetoresistive element from diffusing into the conductor.
A magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that
前記導体は,Al,Cu,Ta,Ru,Zr,Ti,Mo,及びWからなる群から選択された少なくとも一の元素を含む
ことを特徴とする,請求項1乃至9のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The conductor includes at least one element selected from the group consisting of Al, Cu, Ta, Ru, Zr, Ti, Mo, and W.
The magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 9, wherein the magnetoresistive device is characterized in that
前記拡散防止構造体の厚さ方向の抵抗は,前記トンネル絶縁層の厚さ方向の抵抗よりも低い
ことを特徴とする,請求項1乃至10のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The resistance in the thickness direction of the diffusion preventing structure is lower than the resistance in the thickness direction of the tunnel insulating layer.
The magnetoresistive device according to claim 1, wherein the magnetoresistive device is a magnetic resistance device.
前記拡散防止構造体は,厚さが5nm以下である膜である
ことを特徴とする,請求項1乃至11のいずれか一項に記載の磁気抵抗デバイス。
The diffusion preventing structure is a film having a thickness of 5 nm or less.
The magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 11, wherein the magnetoresistive device is characterized in that
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成され,
前記第2拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Only including,
The first diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物,又は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物のいずれかで形成され,
前記第2拡散防止層は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成エネルギーが低い元素の酸化物,又は,その上面及び下面で接する層を構成する元素よりも酸化物生成自由エネルギー及び窒化物生成自由エネルギーが低い元素の酸窒化物のいずれかで形成される
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Including
The first diffusion prevention layer is an oxide of an element having an oxide generation energy lower than that of an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface thereof, or an oxide generation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface of the first diffusion prevention layer. Formed of either oxynitrides of elements with low free energy and low free energy of nitride formation,
The second diffusion prevention layer is an oxide of an element having an oxide generation energy lower than that of an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface thereof, or an oxide generation than an element constituting a layer in contact with the upper surface and the lower surface of the second diffusion prevention layer. Formed with either oxynitrides of elements with low free energy and low free energy for nitride formation
This is a magnetoresistive device.
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体と,
前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体と,
を含み,
前記拡散防止構造体は,前記第1導体と前記固定強磁性層との間に介設される第1拡散防止層と,
前記第2導体と前記自由強磁性層との間に介設される第2拡散防止層と,
を含み,
前記第1拡散防止層は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成され,
前記第2拡散防止層は,AlN,SiN,BN,ZrNからなる群から選択された材料で形成される
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
A second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without passing through the tunnel insulating layer;
Including
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the first conductor and the fixed ferromagnetic layer;
A second diffusion preventing layer interposed between the second conductor and the free ferromagnetic layer;
Including
The first diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of AlN, SiN, BN, and ZrN.
This is a magnetoresistive device.
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記固定強磁性層に電気的に接続される第1導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記固定強磁性層と前記第1導体との間に介設される第1拡散防止層を含み,
前記磁気抵抗素子は,前記固定強磁性層に接合され,且つ,Mnを含む反強磁性層を更に含み,
前記反強磁性層は,前記固定強磁性層と前記拡散防止層との間に位置し,
前記第1拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a first conductor electrically connected to the fixed ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a first diffusion prevention layer interposed between the fixed ferromagnetic layer and the first conductor,
The magnetoresistive element further includes an antiferromagnetic layer bonded to the pinned ferromagnetic layer and containing Mn,
The antiferromagnetic layer is located between the pinned ferromagnetic layer and the diffusion barrier layer;
The first diffusion prevention layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
前記自由強磁性層は,Niを含むNi含有強磁性膜を含み,
Mnを含む前記反強磁性層と前記導体との間,又は,前記Ni含有強磁性膜と前記導体との間に,前記拡散防止構造体を有する
ことを特徴とする,請求項16に記載の磁気抵抗デバイス。
The free ferromagnetic layer includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni,
The diffusion preventing structure is provided between the antiferromagnetic layer containing Mn and the conductor, or between the Ni-containing ferromagnetic film and the conductor.
The magnetoresistive device according to claim 16, wherein
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層を含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記自由強磁性層と前記第2導体との間に介設される第2拡散防止層を含み,
前記第2拡散防止層は,酸化物及び酸窒化物からなる群のうちから選択された材料で形成されている
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a second diffusion prevention layer interposed between the free ferromagnetic layer and the second conductor,
The second diffusion barrier layer is formed of a material selected from the group consisting of oxides and oxynitrides.
This is a magnetoresistive device.
前記自由強磁性層は,Niを含むNi含有強磁性膜を含み,
前記第2拡散防止層は,前記Ni含有強磁性膜に直接に接する
ことを特徴とする,請求項18に記載の磁気抵抗デバイス。
The free ferromagnetic layer includes a Ni-containing ferromagnetic film containing Ni,
The second diffusion preventing layer is in direct contact with the Ni-containing ferromagnetic film.
The magnetoresistive device according to claim 18, wherein:
反転可能な自由自発磁化を有する自由強磁性層と,固定された固定自発磁化を有する固定強磁性層と,前記自由強磁性層と前記固定強磁性層との間に介設されたトンネル絶縁層とを含む磁気抵抗素子と,
前記磁気抵抗素子を他の素子に電気的に接続する非磁性の導体と,
前記導体と前記磁気抵抗素子との間に設けられた拡散防止構造体と,
を備え,
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体を含み,
前記拡散防止構造体は,前記自由強磁性層と前記第2導体との間に介設される第2拡散防止層を含み,
前記第2拡散防止層は,前記自由強磁性層に直接に接合され,
前記自由強磁性層の膜厚は3nm以下である
ことを特徴とする,磁気抵抗デバイス。
A free ferromagnetic layer having reversible free spontaneous magnetization, a fixed ferromagnetic layer having fixed fixed spontaneous magnetization, and a tunnel insulating layer interposed between the free ferromagnetic layer and the fixed ferromagnetic layer A magnetoresistive element including:
A nonmagnetic conductor electrically connecting the magnetoresistive element to another element;
A diffusion preventing structure provided between the conductor and the magnetoresistive element;
With
The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The diffusion prevention structure includes a second diffusion prevention layer interposed between the free ferromagnetic layer and the second conductor,
The second diffusion barrier layer is directly bonded to the free ferromagnetic layer;
The film thickness of the free ferromagnetic layer is 3 nm or less
This is a magnetoresistive device.
前記自由強磁性層の飽和磁化と膜厚との積は,3(T・nm)以下である
ことを特徴とする,請求項20に記載の磁気抵抗デバイス。
21. The magnetoresistive device according to claim 20, wherein a product of a saturation magnetization and a film thickness of the free ferromagnetic layer is 3 (T · nm) or less.
前記導体は,前記トンネル絶縁層を介さずに前記自由強磁性層に電気的に接続される第2導体を含み,
前記磁気抵抗素子は,更に前記自由強磁性層にバイアス磁場を印加する磁気バイアス素子を含み,
前記磁気バイアス素子は,磁気バイアス用強磁性層と前記磁気バイアス用強磁性層に接合され,Mnを含む磁気バイアス用反強磁性層とを備え,
前記拡散防止構造体は,前記磁気バイアス素子と前記自由強磁性層との間に介設される第3拡散防止構造体と,
前記磁気バイアス素子と前記第2導体との間に介設される第4拡散防止構造体と,
を含むことを特徴とする,請求項1に記載の磁気抵抗デバイス。
The conductor includes a second conductor electrically connected to the free ferromagnetic layer without the tunnel insulating layer;
The magnetoresistive element further includes a magnetic bias element that applies a bias magnetic field to the free ferromagnetic layer,
The magnetic bias element includes a magnetic bias ferromagnetic layer and a magnetic bias antiferromagnetic layer bonded to the magnetic bias ferromagnetic layer and containing Mn,
The diffusion prevention structure includes a third diffusion prevention structure interposed between the magnetic bias element and the free ferromagnetic layer;
A fourth diffusion preventing structure interposed between the magnetic bias element and the second conductor;
The magnetoresistive device according to claim 1, comprising:
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